tehn pieselor siterizate paunoiu

120
Universitatea “Dunărea de Jos” din Galaţi Galaţi - 2010

Upload: alina-gafton

Post on 02-Jul-2015

6.078 views

Category:

Documents


18 download

TRANSCRIPT

Page 1: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Universitatea “Dunărea de Jos” din Galaţi

Galaţi - 2010

Page 2: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Departamentul pentru Învăţământ la Distanţă şi cu Frecvenţă Redusă Facultatea de Mecanica Specializarea Inginerie Economica Industriala Anul de studii III/ Forma de învăţământ IFR

Page 3: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

iii

CUPRINS

Pag. Cuprins …………………………………………………………... iii 1. Introducere …………………………………………………………… 1 1.1. Obiectul şi domeniile de aplicaţii ale pieselor sinterizate ………. 1 1.2. Definirea tehnologiei ………………………………………….… 2 1.3. Avantajele tehnologiei …………………………………….……. 4 2. Fabricarea pulberilor metalice ………………………………………. 5 2.1. Procedee mecanice de fabricare ……………………………….. 5 2.1.1. Măcinarea ……………………………………………....... 5 2.1.1.1. Măcinarea în mori cu bile …………………….... 6 2.1.2. Pulverizarea ………………………………………………. 7 2.1.2.1. Pulverizarea cu apă …………………………...... 8 2.1.2.2. Pulverizarea cu gaz …………………………...... 9 2.2. Procedee chimice de fabricare …………………………………… 11 2.2.1. Reducerea …………………………………………….…... 11 2.2.1.1. Reducerea cu carbon …………………………… 11 2.3. Electroliza soluţiilor de săruri …………………………………… 13 3. Proprietăţi ale pulberilor metalice …………………………………… 15 3.1. Generalităţi ………………………………………………………. 15 3.2 Mărimea particulelor de pulbere … ……………………………… 17 3.2.1. Metode de măsurare a mărimii particulelor ……………… 18 3.2.1.1. Metoda cernerii ………………………………… 18 3.2.1.2. Metoda microscopică …………………………... 19 3.2.1.3. Metoda conductivităţii electrice ……………….. 19 3.2.1.4. Metoda sedimentării …………………………… 20 3.3. Forma particulei. Metode de determinare ………………………. 21

Page 4: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

iv

3.4. Proprietăţi chimice ……………………………………………… 22 3.5. Proprietăţi tehnologice ale pulberilor …………………………… 23 3.5.1. Fluiditatea ………………………………………………… 23 3.5.2. Densitatea pulberii ……………………………………….. 24 3.5.3. Compresibilitatea pulberii ……………………………….. 26 4. Formarea pulberilor ……………….…………………………………. 29 4.1. Introducere …………………….………………………………... 29 4.2. Presarea axială a pulberilor ……..………………………………. 29 4.2.1. Mecanisme de densificare ……………………………….. 30 4.2.2. Calculul presiunii axiale …………………………………. 30 4.2.3. Forta de eliminare si revenirea elastica a semifabricatului

presat ……………………………………………………... 32 4.2.4.Tehnologia presării …………..………………………….... 34 4.2.4.1. Alimentarea matriţei …..………………………. 34 4.2.4.2. Presarea pulberii ………………………. .……... 36 4.2.4.3. Eliminarea semifabricatului presat …...………... 38 4.2.5. Proiectarea formei presatului ………………………… …. 38 4.2.6. Controlul calităţii presatelor ……………. ………………. 41 4.2.7. Prese pentru presarea în matriţă a pulberilor …………….. 42 4.3. Presarea izostatică ……………………………………………...... 43 4.4. Procedee de presare cu energii ridicate ……………………….… 46 4.4.1. Deformarea cu explozivi brizanţi ……………………... 46 4.4.2. Deformarea cu impulsuri magnetice ………………….. 47 4.4.3. Presarea electrohidraulică …………………………….. 47 4.5. Procedee de formare fară aplicarea presiunii …………………… 48 4.5.1. Turnarea în forme de ipsos ……………………………. 48 4.5.2. Sinterizarea selectivă cu laser …………………………. 49 5. Sinterizarea 51 5.1. Definirea tratamentului de sinterizare....................……………… 51 5.2. Stadiile procesului de sinterizare ………………………………… 52 5.3. Tehnologia tratamentului de sinterizare ......................................... 55 5.3.1. Parametri tratamentului de sinterizare ............................ 55

Page 5: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

v

5.3.2. Medii protectoare .........................……………………... 56 5.4. Definirea conceptului de sinterizabilitate. Indici de apreciere ….. 57 5.4.1. Influenţa proprietăţilor iniţiale ale pulberii …………..... 57 5.4.2. Influenţa proprietăţilor presatelor ……………………... 58 5.4.3. Influenţa parametrilor sinterizării ……………………... 59 5.5. Utilaje de sinterizare ……………………………………………... 59 6. Procede de formare a pulberilor pentru obţinerea pieselor cu densitate

ridicată ……………………………………………………………….. 61 6.1. Presarea la cald a pulberilor .......................................................... 61 6.1.1. Particularităţi constructive ale echipamentelor

de presare ........................................................................ 61 6.1.2. Puterea necesară pentru încălzire ……………………… 64 6.2. Injectarea pulberilor metalice ……………………………………. 66 6.2.1. Definirea tehnologieie de injectare a pulberilor metalice 66 6.2.2. Caracterizarea amestecurilor de pulberi utilizate

la injectare ……………………....................................... 67 6.2.3. Tehnologia injectării pulberilor metalice ........................ 68 6.2.3.1. Amestecarea ...................................................... 68 6.2.3.2. Injectarea ............................................................ 69 6.2.3.3. Delubrifierea ...................................................... 71 6.2.3.4. Sinterizarea ........................................................ 74 6.2.4. Proiectaea formei pieselor injectate din pulberi ……….. 75 6.2.5. Maşini pentru injectarea pulberilor metalice ………….. 75 6.3. Forjarea pieselor sinterizate ………………………………….. 76 6.3.1. Materiale pentru forjarea pulberilor………………….... 78 6.3.2. Tehnologia forjării …………………………………….. 79 6.3.2.1. Presarea pulberii .............................................. 79 6.3.2.2. Sinterizarea ...................................................... 80 6.3.2.3. Forjarea ............................................................ 81 6.4. Presarea izostatică la cald ……………………………………….. 83 6.4.1. Echipamentul pentru presare izostatică la cald .............. 84

Page 6: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

vi

7. Operaţii secundare aplicate pieselor sinterizate ……………………… 87 7.1. Prelucrări mecanice de deformare ………………………………. 87 7.2. Tratamente termice de suprafaţă ………………………………… 90 7.2.1. Impregnarea ………………………………………… 90 7.2.2. Infiltrarea …………………………………………… 90 7.2.3. Colorarea …………………………………………… 90 7.2.4. Tratamentul cu abur ………………………………… 91 7.2.5. Placarea ……………………………………………... 91 7.3. Tratamente termice ……………………………………………… 91 7.4. Prelucrări prin aşchiere …………………………………………. 92 7.5. Debavurarea …………………………………………………….. 92 7.6. Procedee de asamblare .………………………………………….. 93 7.6.1. Brazarea ……………………………………………….. 93 7.6.2. Sudarea ………………………………………………… 95 7.6.3. Asamblarea prin difizie ………………………………... 95 8. Aplicaţii specifice pieselor sinterizate ………………………………. 99 8.1. Materiale sinterizate de înaltă porozitate ……………………….. 99 8.1.1. Elemente de tehnologia materialelor sinterizate

permeabile ……………………………………….......... 100 8.1.2. Proprietăţi specifice materialelor poroase permeabile … 100 8.1.3. Utilizarea materialelor poroase permeabile …………… 102 8.2. Bucşe sinterizate autolubrifiante ………………………………… 104 8.2.1. Materiale utilizate în construcţia bucşelor sinterizate …. 107 8.2.2. Elemente de tehnologie specifice bucşelor sinterizate … 108 8.3. Piese de rezistenţă sinterizate ……………………………………. 109 9. Aspecte economice în fabricarea pieselor sinterizate 111 Bibliografie …………………………………………………….. 113

Page 7: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Introducere

1

CAPITOLUL 1

INTRODUCERE

1.1. OBIECTUL ŞI DOMENIILE DE APLICAŢII ALE PIESELOR SINTERIZATE

Un material se consideră economic dacă îndeplineşte următoarele condiţii: 1. corespunde cerinţelor tehnice; 2. prelucrarea lui se face fără dificultate; 3. i se pot aplica prelucrări ulterioare, mecanice şi/sau termice; 4. preţul lui şi al piesei fabricate din el este cât mai scăzut posibil. Din categoria materialelor economice fac parte şi materialele sinterizate,

materiale care stau la baza fabricării pieselor sinterizate. În accepţiunea generală expresia “piesa sinterizată” defineşte o componentă

fabricată din materiale care în stare primară sunt sub formă de pulbere sau de granule.

Dacă se consideră drept criteriu de clasificare a tehnologiilor de formare, starea primară a materialului utilizat, atunci conform standardului german DIN 8580, tehnologia de obţinere a pieselor sinterizate face parte din grupa D a tehnologiilor de formare a materialelor (figura 1.1).

Fig. 1.1. Clasificarea tehnologiilor de formare a materialelor (DIN 8580)

TEHNOLOGII DE FORMARE A

MATERIALELOR

A. Din fază gazoasă sau din vapori

C. Din condiţii de ionizare prin elctro-depuneri

B. Din lichid, suspensie sau pastă

D. Din fază solidă (granule sau pulbere)

Page 8: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

2

1.2. DEFINIREA TEHNOLOGIEI Tehnologia de obţinere a pieselor sinterizate se ocupă de transformarea pulberii metalice într-o componentă mecanică ca urmare a aplicării unor procedee de formare şi sinterizare. Procesul de obţinere a pieselor sinterizate cuprinde trei operaţii principale: amestecarea, formarea şi tratamentul termic de sinterizare (figura 1.2).

În funcţie de cerinţele dimensionale şi de exploatare ale piesei sinterizate se stabileşte pulberea metalică şi aditivii (lubrifianţi, elemente de aliere, lianţi) ce urmează a fi folosiţi.

Operaţia de amestecare are ca scop obţinerea unui amestec cât mai omogen şi uniform.

Pulberea este amestecată cu lubrifianţi de tipul stearaţilor sau parafinelor. Cantitatea de lubrifiant este cuprinsă între 0,5…1,5% din cantitatea totală de amestec. Principala funcţie a lubrifianţilor este de a reduce frecarea dintre pulbere şi pereţii matriţei şi de a reduce forţa necesară eliminării semifabricatului din matriţă.

Elementele de aliere sunt introduse ca o alternativă la pulberilor prealiate. Introducerea acestora sub formă de pulbere garantează pe de-o parte menţinerea înaltei compresibilităţi a pulberii de fier, iar pe de altă parte este înlăturată duritatea pe care elementele de aliere o conferă pulberilor prealiate. Cel mai utilizat element de aliere este pulberea de grafit.

Lianţii măresc adeziunea dintre particule îmbunătăţind comportarea la presare a pulberilor.

Operaţia de formare se poate desfăşura la cald sau la rece, cu prezenţa sau fără prezenţa presiunii. Metoda cea mai utilizată în obţinerea pieselor pentru construcţia de maşini este presarea la rece în matriţă. În urma presării rezultă un semifabricat care are aceeaşi formă cu piesa finală. Rezistenţa acestuia este scăzută pentru că între particulele de pulbere nu există decât coeziune mecanică. Aceasta rezistenţă garantează posibilitatea transportului şi mânuirii semi-fabricatelor în condiţii de siguranţă.

Valoarea presiunii aplicate asupra pulberii este cuprinsă între 150-800 MPa. În funcţie de tipul pulberii folosite, densitatea semifabricatului presat poate să ajungă la 93% din densitatea ei teoretică.

Utilizarea presării la cald, la temperaturi de 130-1500C, conduce la creşterea densităţii semifabricatului cu până la 0,2 g/cm3. Totodată, semifabricatele obţinute prin presare la cald au o rezistenţă mult mai mare în comparaţie cu semifabricatele presate la rece, acestea putând fi prelucrate mecanic înainte de sinterizare.

Presarea izostatică conduce la obţinerea unor piese de densitate uniformă şi ridicată datorită aplicării aceleiaşi presiuni pe toate direcţiile. Presarea are loc în matriţe flexibile, metalice sau din cauciuc, care sunt supuse presiunii unui fluid. Presarea poate avea loc la rece sau la cald.

Page 9: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Introducere

3

Injectarea pulberilor metalice este cea mai nouă tehnologie de obţinere a pieselor sinterizate. Procedeul asigură fabricarea unor piese de formă complexă, de precizie şi de densitate ridicată. Grosimile pereţilor pieselor pot să fie sub 1 mm iar diametrele găurilor poate fi de ordinul fracţiunilor de milimetru. Costurile unitare ale pieselor sunt mai mari în comparaţie cu cele ale pieselor obţinute prin procedeele de presare amintite mai sus de aceea tehnologia se recomandă pentru serii de fabricaţii mari şi de masă.

Sinterizarea este tratamentul termic care se desfăşoară în atmosferă

controlată, la o temperatură mai scăzută decât punctul de topire al componentului principal din pulbere. Pentru aliajele de fier, temperatura de sinterizare este cuprinsă de obicei între 1100-11500C. Timpul de sinterizare este cuprins între 10 şi 60 min.

Principalele mecanisme la sinterizare sunt difuzia de suprafaţă şi de volum. Prin difuzie, se obţine o piesă cu structură cristalină, poroasă. Datorită fenomenelor termice, porii din material se rotunjesc şi porii mici dispar în favoarea celor mai mari.

Pulberi metalice elementare sau aliate

Aditivi ( lubrifianţi, elemente de aliere, lianţi)

Formare la cald (presare izostatică, presare

în matriţă, extrudare)

Formare la rece (presare în matriţă, presare

izostatică, laminare, injectare)

Produs final

Operaţii secundare (calibrare, represare, impregnare, aşchiere,

forjare, tratamente termice şi de

suprafaţă)

Fig. 1.2. Schema tehnologiei de obţinere a pieselor sinterizate

Amestecare

Sinterizare

Page 10: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

4

Sinterizarea se desfăşoară în afara zonei de presare, utilizând de obicei cuptoare tip tunel. Prezenţa atmosferei de protecţie este obligatorie pentru evitarea oxidării semifabricatelor.

În urma tratamentului termic de sinterizare, piesa capătă o structură uniformă şi proprietăţile mecanice necesare în exploatare.

Operaţiile secundare se aplică pentru: îmbunătăţirea preciziei şi calităţii suprafeţei, modificarea formei, îmbunătăţirea proprietăţilor stratului superficial, îmbunătăţirea caracteristicilor mecanice, realizarea proprietăţilor de auto-lubrifiere, protecţia anticorozivă, asamblare.

1.3 AVANTAJELE TEHNOLOGIEI

În ultimii 30 de ani au fost aduse importante îmbunătăţiri procesului tehnologic de obţinere a pieselor sinterizate. Aceste îmbunătăţiri conferă tehnologiei următoarele avantaje:

- utilizarea completă a materiei prime în comparaţie cu alte procedee de fabricare în care utilizarea materialului se face în proporţie de maxim 50%

- consum energetic redus; - obţinerea de piese de forme complexe de precizie ridicată, mergând

până în clasa IT3, şi calitate bună a suprafeţei, eliminând astfel prelucrările mecanice necesare altor procedee de fabricare;

- reproductibilitate ridicată, chiar şi în cazul pieselor complicate ca formă;

- flexibilitate în proiectare şi în fabricare. Utilizarea CAD-CAPP-CAM asigură o proiectare rapidă a echipamentelor, a utilajelor şi tehnologiilor de presare şi sinterizare. Echiparea utilajelor de presare cu adaptoare asigură importante economii în pregătirea fabricaţiei;

- proprietăţi izotrope datorită structurii; - proprietăţi mecanice superioare: duritate ridicată, mergând până la 60-

65 HRC, rezistenţa la rupere şi impact, proprietăţi la uzură şi alungire suficiente, rezistenţă la oboseală;

- structura fină şi controlată; - obţinerea unor proprietăţi noi, unice. Aceste proprietăţi sunt legate de

prezenţa porilor în structură şi sunt reprezentate de capacitatea de autolubrifiere şi de filtrare.

- cost scăzut pentru serii de fabricaţii mari în comparaţie cu tehnologiile de forjare, turnare sau aşchiere.

Page 11: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Fabricarea pulberilor metalice

5

CAPITOLUL 2

FABRICAREA PULBERILOR METALICE

Procedeele de fabricare ale pulberilor metalice determină atât proprietăţile

acestora cât şi preţul lor de cost. Principalele metode de obţinere a pulberilor metalice sunt cele mecanice,

chimice şi electrochimice. În tabelul 2.1 se prezintă principalele metode de fabricare a pulberilor:

Tabelul 2.1. Procedee principale de fabricare a pulberilor Procedee mecanice Procedee Procedee

din stare solidă din stare lichidă chimice electrochimice Măcinarea în mori clasice

Pulverizarea cu apă Reducerea directă a minereurilor

Electroliza soluţiilor de săruri

Procedeul Hamentag

Pulverizarea cu gaz Reducerea deşeurilor metalice

Procedeul Carbonil Câteva din ele vor fi prezentate în continuare.

2.1 PROCEDEE MECANICE DE FABRICARE Procedeele mecanice de obţinere a pulberilor metalice se desfăşoară fie în stare solidă fie în stare lichidă. Ultimele sunt de o deosebită importanţă mai ales pentru producţia de serie a pulberilor.

2.1.1 MĂCINAREA Procedeul de măcinare este cea mai veche metodă de obţinere a pulberilor ceramice, metalice şi nemetalice . Utilizarea ei pentru dezintegrarea materialelor metalice este mai limitată datorită plasticităţii acestora, excepţie făcând feroaliajele şi compuşii intermetalici pentru care s-a dovedit că metoda este eficientă. Fenomenele generale care produc dezintegrarea materialelor în stare solidă sunt: apariţia unor nuclee de generare a fisurilor, propagarea fisurilor şi ruperea, în urma căreia se formează noi particule de dimensiuni mai mici. O

Page 12: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

6

Fig. 2.1. Schema unei instalaţii de măcinare cu bile: 1. carcasă; 2. tambur; 3. uşa de închidere;

4. bile şi material; 5. roata dinţată de antrenare; 6. burduf; 7. container de

transport; 8. cărucior; 9. şină

scădere ulterioară a mărimii particulelor se produce numai când procesele evidenţiate mai sus se reproduc. Mărimea particulelor de pulbere depinde de material şi de parametrii de lucru. Cu cât particulele sunt mai mici cu atât este mai dificilă măcinarea lor datorită răspunsului elastic şi elasto-plastic al particulelor la solicitările mecanice externe.

2.1.1.1. MĂCINAREA ÎN MORI CLASICE CU BILE În figura 2.1 se prezintă schema de principiu a funcţionării morilor cu bile, schemă care este valabilă atât pentru instalaţiile industriale cât şi de laborator. Măcinarea în mori clasice cu bile se recomandă pentru obţinerea pulberilor din materiale casante, din feroaliaje, din metale dure sau din oxizi metalici. O schemă a instalaţiei de măcinare se prezintă în figura 2.1. Elementul principal al morii este tamburul de măcinare. Diametrul tamburului este cuprins între 200 şi 1600 mm. El este prevăzut cu o căptuşeală rezistentă la uzură, executată din ceramică, din oţel manganos sau din aliaj dur sinterizat. Bilele sunt executate din aceleaşi materiale dure sau foarte dure.

Gradul de umplere al tamburului de măcinare, incluzând bilele şi materialul de măcinat este

cuprins între 40-60%. Viteza de rotaţie este principalul parametru de lucru al procesului, a cărui schemă se prezintă în figura 2.2. La o viteză optimă bilele sunt situate în partea de sus a tamburului de unde cad asupra materialului. O viteză mică va menţine bilele în partea inferioară a tamburului şi astfel nu se va produce impactul dintre ele şi material. O viteză de rotaţie prea mare va creea forţe centrifuge mari la nivelul particulelor care astfel vor fi împiedicate să ia contact cu materialul. În general viteza optimă de măcinare variază proporţional cu inversul rădăcinii pătrate a diametrului tamburului. Pulberile obţinute prin măcinare sunt neregulate ca formă, ecruisate şi au proprietăţi scăzute de presare şi sinterizare.

Page 13: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Fabricarea pulberilor metalice

7

La utilizarea morilor clasice cu bile pulberea se impurifică cu materiale desprinse din corpurile de măcinare şi căptuşeala morii. În timpul funcţionării morii datorită căldurii ce se degajă, există pericolul aprinderii pulberilor din materiale cu afinitate mare faţă de O2. Pentru evitarea exploziilor şi reducerea încălzirii excesive a morii se poate trece prin tambur un curent de atmosferă protectoare (N2, Ar, etc.) sau

toba rotativă este stropită în permanenţă cu apă.

Măcinarea în mori planetare cu bile se foloseşte pentru obţinerea unor cantităţi mai mici de pulbere, la scară experimentală. În figura 2.3 se prezintă o astfel de moară. Diferenţa dintre măcinarea în mori clasice şi măcinarea în mori

planetare constă în utilizarea suplimentară a unui suport pe care sunt prinşi un număr de tamburii de măcinare. Suportul împreună cu tamburii execută o mişcare de principală de rotaţie iar tamburii au o mişcare suplimentară de rotaţie în jurul axelor lor. În felul acesta bilele primesc o mişcare accelerată care este de 10...20 ori mai mare decât acceleraţia gravitaţională. Bilele pot fi executate din agat, nitrură de siliciu, corindon sinterizat, oxid de zirconiu, carbură de wolfram, oţel inoxidabil. Particulele măcinate pot ajunge până la 1 μm.

2.1.2. PULVERIZAREA

Pulverizarea este o metodă mecanică de obţinere a pulberilor metalice care constă în dezintegrarea unei vane de metal lichid sub acţiunea unei surse de energie înaltă. În general, sursa de energie poate să fie produsă de jeturi sau aburi de lichid sau gaz, de o forţă centrifugă sau capilară sau de ultrasunete. Pulverizarea se desfăşoară în două etape. În prima etapă, pulberea se obţine prin topire, pulverizare şi solidificare-răcire. În cea de-a doua etapă, pulberea este uscată (eventual), tratată termic, cernută şi preparată pentru a corespunde cerinţelor producătorului de piese sinterizate. Materiile prime necesare producerii pulberilor prin pulverizare sunt deşeurile metalice sau nemetalice. De exemplu, pentru obţinerea pulberilor de fier se recomandă deşeurile de oţel cu conţinut scăzut de carbon şi cu nivele cât mai reduse de Ni, Cu, Sn, W, Mo, Cr şi P. Manganul este permis până la 0,4-0,5% şi este în mod obişnuit redus prin topirea aliajului. Tot prin topire se reduc

Fig. 2.2. Schema de principiu a procesului de măcinare

Fig. 2.3. Instalaţie de măcinat planetară (Fritch, Germania)

Page 14: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

8

Al şi Si care sunt elemente ce afectează calitatea pulberii. Deşeurile trebuie să fie uscate şi pe cât posibil să nu fie acoperite cu ulei.

2.1.2.1. PULVERIZAREA CU APĂ Pulverizarea cu apă este la ora actuală cea mai importantă metodă de

fabricare a pulberilor metalice, în special a celor pe bază de fier. Materia primă este selectată în vederea topirii. Topirea se poate realiza în

cuptoare cu arc electric, prin inducţie, cu plasmă sau cu laser. După elaborare cuptorul este basculat iar materialul lichid este deşarjat în

pâlnia de turnare de unde prin orificiul calibrat al unei duze ceramice curge în duza de pulverizare (figura 2.4).

Duza de atomizare are rolul de a forma un con de apă sub presiune (până la 300 bari în vârful conului), care la impactul cu vâna de metal lichid produce dezintegrarea acesteia.

După pulverizare apa este reciclată şi introdusă înapoi în proces. Pulberea este extrasă cu o pompă din turnul de atomizare şi după ce a trecut printr-o sită este trimisă la instalaţia de deshidratare.

Pulberea deshidratată cade pe un transportor cu bandă care o dirijează la instalaţia de uscare.

După uscare se face o primă cernere pentru separarea pulberii grosiere de cea fină. Pulberea grosieră este omogenizată şi este supusă apoi unui tratament termochimic. După acest tratament pulberea este concasată, cernută şi stocată. Aceste etape sunt valabile şi pentru fracţiunea de pulbere fină. Mărimea şi forma particulelor sunt influenţate direct de parametrii procesului de pulverizare. Principalii parametrii sunt: - unghiul conului de pulverizare, α. Cu cât acest unghi este mai mic cu atât particulele tind spre o formă sferică;

Fig. 2.4. Schema procesului de pulverizare cu apă

Page 15: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Fabricarea pulberilor metalice

9

- presiunea şi viteza apei. Creşterea presiunii şi a vitezei apei conduc la scăderea diametrului particulelor. k = v d sin α (2.1) unde k este o constantă care depinde atât de material cât şi de parametrii constructivi ai duzei de atomizare.

În figura 2.5 se prezintă câteva imagini ale unor pulberi obţinute prin pulverizare cu apă.

a b

Reacţia metalului pulverizat cu apa este factorul limitativ . Pulverizarea cu apă este de aceea aplicată la metalele si aliajele cu afinitate scăzută faţă de oxigen. Conţinutul rezidual de oxigen este dependent de elementul de aliere şi se recomandă să fie cuprins între 0,08-0,15%.

2.1.2.2. PULVERIZAREA CU GAZ

În cazul pulverizării cu gaz, vâna de metal lichid este dezintegrată sub formă de particule cu ajutorul unui curent de gaz care poate fi: aer, azot, heliu sau argon. În funcţie de temperatura de topire a materialului, procesul se poate desfăşura pe direcţie orizontală sau verticală. Pulverizarea cu gaz pe direcţie orizontală se recomandă pentru materialele la care temperatura de topire este scăzută. Pulverizarea pe verticală (figura 2.6) se recomandă pentru materialele cu puncte de topire ridicate. Jetul vertical de metal topit este transformat în particule de un curent de gaz puternic de presiune egală cu 12 MPa şi a cărui viteză ajunge până la 2 Mach (720 m/s) în duza de pulverizare. În majoritatea cazurilor unghiul sub care gazul interacţionează cu metalul este de 40o. Gazul

Fig. 2.5. Forme ale particulelor de pulbere obţinute prin pulverizare cu apă: a-bronz; b-fier (Atomising Systems, Ltd., Anglia)

Page 16: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

10

este eliminat din camera de pulverizare prin intermediul unui ciclon unde totodată particulele fine se depun. Gazul este apoi recirculat. Din cauza vitezei relativ mici de răcire a particulelor, camerele de atomizare au dimensiuni mari, o instalaţie completă de atomizare putând ajunge până la 20 m. Eficienţa procesului este similară cu cea a pulverizării cu apă. Mărimea particulelor este cuprinsă între 20-300 μm.

Particulele de pulbere obţinute au o formă sferică şi frecvent prezintă cavităţi ca urmare a gazului produs în proces.

Pulverizarea cu aer a fost primul procedeu din gama procedeelor de atomizare aplicat pentru obţinerea pulberilor de fier. Metalul topit utilizat pentru pulverizare conţine fier şi până la 3,5% C. Vâna de metal topit este dezin-tegrată de o serie de jeturi laterale de aer. Particulele fine cad într-o incintă în care se află apă şi se solidifică. Particulele au suprafaţa oxidată şi pulbe-rea conţine până la 6% O2. Pulberea este filtrată şi uscată pentru procesarea ulterioară. Particulele sunt dure şi pentru a le putea utiliza la formare trebuie să fie supuse unui tratament de recoacere. Pentru acesta pulberea este introdusă într-un cuptor cu vatră păşitoare şi este încălzită la 1100oC. Carbonul conţinut în pulbere reduce particulele oxidate

conform reacţiei: 3Fe3C + Fe3O4 → 12Fe + 2CO + CO2 (2.2)

Monoxidul de carbon care rezultă ca urmare a reacţiei dintre carbon şi oxigen serveşte ca atmosferă de protecţie. Concomitent în cuptor se introduce şi un gaz protector (hidrogen) pentru un mai bun control al procesului. Pulverizarea cu aer este folosită de asemenea, pentru obţinerea pulberilor de aluminiu şi a aliajelor de aluminiu, cupru, şi aliajelor de cupru, metale preţioase, staniu şi plumb. Pulverizarea cu gaz inert se aplică pentru obţinerea pulberilor din metale înalt aliate cum ar fi oţelurile inoxidabile, oţelurile de scule, superaliajele pe bază de nichel, cobalt ca şi din aliajele de aluminiu. Factorii limitativi ai procesului sunt temperatura de topire a materialului şi legat de aceasta tipul creuzetului utilizat.

Fig.2.6. Forma particulelor la pulverizarea cu gaz

Page 17: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Fabricarea pulberilor metalice

11

2.2. PROCEDEE CHIMICE DE FABRICARE 2.2.1. REDUCEREA Principalele procedeele de fabricare chimice presupun reducerea compuşilor metalici cum ar fi oxizi, carbonaţi, nitraţi cu gaze (în general hidrogen) sau cu elemente chimice solide (carbonul sau metalele reactive). În majoritatea cazurilor compusul metalic care urmează să fie redus se află în stare solidă. În cazul soluţiilor, de exemplu: de nichel sau cobalt, reducerea are loc în prezenţa hidrogenului, prin procedeele hidro-metalurgice. Dacă reacţia are loc în stare solidă sau ca urmare a interacţiunii solid-gaz nu mai este posibilă nici-o purificare a materialului pulverulent. De aceea materia primă trebuie să fie suficient de pură. Pe de altă parte compusul care urmează să fie redus trebuie să fie constituit din particule suficient de mici pentru a favoriza reacţiile cinetice şi de a reduce astfel timpul total al procesului. 2.2.1.1. REDUCEREA CU CARBON Unul dintre cele mai importante metode de obţinere pe scară industrială a pulberilor de fier este reducerea directă a magnetitei (Fe3O4) cu carbon. Magnetita este un minereu bogat în fier şi se găseşte în cantităţi suficiente în nordul Suediei. Metoda de transformarea a acestui minereu în pulbere a fost dezvoltată în Suedia, începând cu anul 1910 de către firma Höganäs. Pulberea de fier spongioasă rezultată este unul din materialele de bază utilizat în obţinerea pieselor sinterizate pentru construcţia de maşini şi mai mult de jumătate din producţia anuală de pulberi se obţine prin această metodă. Magnetita şi amestecul reducător sunt uscate în câte un cuptor rotativ (3), (figura 2.7). Amestecul reducător este apoi separat magnetic iar magnetita este sfărâmată (4) şi cernută (5). Cele două materiale sunt în continuare deşarjate automat în retortele ceramice (7). Retortele cu învelişul din carbură de siliciu, au un diametru interior de 40 cm şi înălţimea de 50 cm şi la interior sunt compuse din două tuburi concentrice. În tubul exterior şi interior se toarnă amestecul reducător (19). În spaţiul dintre cele două tuburi se toarnă magnetita (18).

Retortele suprapuse câte 4 şi grupate în număr de 25, sunt dirijate cu ajutorul unor vagoneţi în cuptorul tunel de reducere care are o lungime de 280 m şi unde temperatura creşte treptat până la 1200oC.

Pe măsura creşterii temperaturii, cocsul începe să ardă formând CO, care la rândul lui va reduce magnetita în fier şi se va transforma în CO2.

CO2 reacţionează cu cocsul rămas formând din nou CO, care va intra din nou în reacţie.

Se pot scrie următoarele reacţii de reducere:

Page 18: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

12

Fe3O4 + CO ↔ 3FeO + CO2 FeO + CO ↔ Fe + CO2 (2.3) CO2 + C ↔ 2CO

Aceste reacţii continuă până când toată magnetita este redusă la fier şi cea

mai mare parte a cocsului arde.

Fig. 2.7. Schema fluxului tehnologic de obţinere a pulberilor prin procedeul Höganäs:

1. minereu de fier; 2. amestec reducător de cocs şi carbonat de calciu; 3. uscare; 4. sfărâmare; 5. cernere; 6. separare magnetică; 7. umplerea tuburilor ceramice; 8. reducerea amestecului în cuptoare tunel la 1200oC; 9. descărcare; 10. sfărâmare primară; 11. depozitare; 12. sfărâmare; 13. separare magnetică; 14. măcinare şi

cernere; 15. recoacere în cuptoare cu bandă la 800-900oC; 16. egalizare; 17. împachetare; 18. minereu de fier; 19. amestecul reducător.

În paralel cu recoacerea, carbonatul de calciu reacţionează cu sulful care rezultă din arderea cocsului. După reducere, retortele sunt răcite în cuptor până la 250oC.

Un ciclu complet de reducere constă dintr-o preîncălzire (45 ore), o menţinere la temperatura de 1200oC (30 ore) şi o răcire (40 ore). În final, în interiorul retortelor se va găsi un tub de fier spongios cu o porozitate de 75%, cocs nears şi sulf. Tuburile formate din fier sunt în mod automat extrase din retorte (9), sunt sfărâmate şi măcinate în mai multe etape obţinându-se particule mai mici de 3 mm (10). Retortele sunt curăţate şi sunt încărcate din nou pentru o nouă şarjă.

Page 19: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Fabricarea pulberilor metalice

13

Pulberea grosieră este temporar depozitată (11). În continuare pulberea este separată magnetic (12), măcinată (13) până la obţinerea unor particule mai mici de 150 μm şi cernută (14). Pulberea este recoaptă apoi într-un cuptor tunel (cu o lungime de 15 m) la o temperatură de 800-1500oC în hidrogen. După reducere, pulberea aglomerată este măcinată fin şi colectată în silozuri speciale (16) de unde este divizată în loturi de 60-120 tone. Loturile urmează apoi să fie livrate pentru pregătire amestecurilor de formare. Pulberea obţinută prin reducere are aspect spongios şi bune proprietăţi de presare şi sinterizare (figura 2.8).

2.3. ELECTROLIZA SOLUŢIILOR DE SĂRURI

Producerea pulberilor prin electroliză are la bază neutralizarea ionilor metalici dintr-o baie electrolitică la trecerea curentului electric prin soluţie. Materialul se dizolvă la anod şi se depune la catod (figura 2.9).

Fig. 2.9. Schema procesului de electroliza

Prin această metodă se obţin pulberi de înaltă puritate de cupru, fier, titan şi beriliu.

Pentru pulberile de cupru electroliza se desfăşoară în incinte metalice de volume egale cu ~ 5 m3. Temperatura băii electrolitice este de ~ 50oC şi conţine

Fig. 2.8. Forma particulelor la reducerea cu carbon

Page 20: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

14

5-35 gl-1 de Cu++ şi 120-250 gl-1 de acid sulfuric, intensitatea curentului fiind de 7500-10000A. Anodul şi catodul sunt fabricaţi din cupru electrolitic pur.

Depozitul de pulbere de Cu se formează la catod, urmând a fi spălat de acid şi uscat la 100oC. În această stare este măcinat fin şi recopt pentru înlăturarea durităţii.

Pulberea de fier electrolitică se obţine din soluţiile de FeSO4 sau FeCl2 dar datorită costului ridicat al metodei este folosită numai în aplicaţii speciale.

Pulberile formate prin acest procedeu sunt ca formă dendritice sau spongioase (figura 2.10). Densităţile de curent, concentraţia ionilor din soluţie, temperatura băii şi circulaţia de curent sunt factori care afectează procesul. Metoda nu este folosită la obţinerea pulberilor din metale aliate. Forma particulelor asigură remarca-bile proprietăţi de presare şi ca rezultat o rezistenţă ridicată în stare presată. Acest lucru este avantajos în fabricarea bucşelor de bronz cu pereţii subţiri, periilor Cu-C şi a materialelor de fricţiune.

Fig. 2.10. Imaginea unei pulberi de Cu electrolitic

Page 21: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Proprietăţile pulberilor metalice

15

Fig. 3.1. Elementele caracteristice ale unei mase de pulberi

CAPITOLUL 3

PROPRIETĂŢILE PULBERILOR METALICE 3.1 GENERALITĂŢI

Pulberea este compusă dintr-un amestec de particule de diferite forme şi dimensiuni. Aceste particule pot fi amorfe sau cristaline. Particulele cristaline pot fi compuse dintr-un singur cristal, din mai multe cristale sau din grăunţi cristalini. La rândul lor grăunţii cristalini pot fi compuşi dintr-o fază sau mai multe faze. Pulberea se prezintă sub forma unui aglomerat (figura 3.1). Între particulele de pulbere se observă prezenţa porilor.

Pentru obţinerea unei piese sinterizate de obicei se folosesc amestecuri de pulberi. O pulbere este de bază, iar celelalte au rol tehnologic sau/şi asigură rolul funcţional al piesei. Un amestec de pulberi poate fi caracterizat fie prin prisma proprietăţilor individuale ale particulelor, fie prin prisma prop-rietăţilor globale ale acesteia.

Aceste proprietăţi pot fi împărţite în fizice, chimice, tehnologice şi mecanice. În cadrul proprietăţilor fizice, (tabelul

3.1) cea mai importantă caracteristică este fineţea particulei. Fineţea pulberii poate fi evaluată, fie prin măsurarea dimensiunilor geometrice sau a proiecţiilor particulelor, fie prin considerarea unor proprietăţi fizice cum ar fi masa particulelor, viteza de sedimentare, etc. În cazul măsurării proprietăţilor fizice, particulele se consideră sferice definindu-se o serie de mărimi echivalente.

În caracterizarea pulberilor, forma particulelor este de asemenea importantă. Conform standardelor interne şi internaţionale termeni ca nodular,

Page 22: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

16

dendritic, acicular, fibros, sferoidal, neregulat sau granular sunt în mod curent utilizaţi pentru caracterizarea calitativă a formei particulelor (figura 3.2).

Tabelul 3.1. Proprietăţile principale ale unei mase de pulberi

Proprietăţi fizice Proprietăţi chimice Proprietăţi tehnologice

Proprietăţi mecanice

Mărimea particulelor

Conţinutul de metal de bază

Densitatea aparentă Duritatea

Forma particulelor Conţinutul de alte metale dizolvate

Densitatea în stare tasată

Tensiunea la curgere

Distribuţia mărimii particulelor

Conţinutul de substanţe insolubile

Fluiditatea Coeficientul de ecruisare

Suprafaţa specifică Conţinutul de carbon Stabilitatea formei Modulul de elasticitate la o

anumită densitate Densitatea la zero

porozitate Conţinutul de oxigen Coeficientul lui

Poisson la o anumită densitate

Conţinutul de P sau S

Fig. 3.2. Tipuri reprezentative de particule

Page 23: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Proprietăţile pulberilor metalice

17

Alături de forma şi fineţea pulberii, proprietăţile chimice şi tehnologice sunt importante în aprecierea calităţii unei pulberi. Stabilirea celei mai bune pulberi pentru o aplicaţie ţinând cont de caracteristicile ei este un factor determinant pentru reducerea costurilor de producţie, asigurarea rolului funcţional, siguranţă în exploatare şi nu în ultimul rând fiabilitate îndelungată.

3.2. MĂRIMEA PARTICULELOR DE PULBERE În funcţie de tipul şi parametrii procesului de fabricare a pulberilor, mărimea particulelor componente poate varia în limite largi. Mărimea particulelor determină în principal capacitatea de sinterizare a pulberilor. Din punct de vedere al mărimii particulelor, pulberile se clasifică în: pulberi grosiere cu dimensiunea particulelor mai mare de 150 μm; pulberi medii cu dimensiunea particulelor cuprinsă între 40-150 μm; pulberi fine cu dimensiunea cuprinsă între 10-40 μm şi pulberi foarte fine cu dimensiunea particulelor sub 10 μm.

Fig. 3.3. Parametrii caracteristici ai particulelor de pulbere

Pentru aprecierea mărimii particulelor se pot folosi diversele elemente caracteristice ale acestora (figura 3.3). La o particulă sferică mărimea particulei poate fi apreciată printr-un singur parametru şi anume diametrul D. La o particulă sub formă de disc, mărimea particulei este caracterizată de doi parametri: diametrul D şi lăţimea discului B. Cu cât forma particulelor este mai complicată cu atât numărul de parametri ce caracterizează mărimea particulelor este mai mare dar este mai dificilă metoda de determinare a acesteia. Pentru particula din figura 3-c, dimensiunea poate fi apreciată prin patru parametri şi anume: lăţimea maximă orizontală F numită şi diametrul Ferret; înălţimea maximă H; lungimea celei mai mari corzi, MC; diametrul IC al unui cerc egal ca arie cu aria proiectată a particulei. Pentru aprecierea mărimii particulei din figura 3-d se foloseşte parametrul diametru echivalent definit astfel:

Dech = ( 4 A / π ) 1/2 (3.1)

Page 24: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

18

Dech = ( 6 V / π ) 1/3 (3.2) unde: A este mărimea ariei proiectate a particulei; V – volumul particulei. Există mai multe metode de determinare a mărimii particulelor de pulbere, metode care dau o imagine globală asupra acestui parametru. Cele mai utilizate metode se prezintă în continuare.

3.2.1. METODE DE MĂSURARE A MĂRIMII PARTICULELOR Metodele de măsurare a mărimii particulelor pot fi clasificate în: metode

de numărare, metode de sedimentare, metode de clasificare şi metode bazate pe împrăştierea sau difracţia luminii.

Metodele de măsurare prin numărare pot fi împărţite în metode directe dacă particulele sunt măsurate ele însele şi metode indirecte dacă mărimea particulelor este apreciată folosind proiecţia sau imaginea acestora. De exemplu, microscopia este o metodă indirectă de măsurare prin numărare.

Metodele de sedimentare se bazează pe determinarea vitezei de cădere liberă a particulelor aflate într-un câmp gravitaţional sau centrifugal.

Separarea particulelor în diferite clase de dimensiuni şi măsurarea fracţiunilor din fiecare clasă se realizează prin metodele de clasificare, utilizând de exemplu analiza prin cernere.

Metodele bazate pe împrăştierea sau difracţia luminii sunt din ce în ce mai folosite în determinarea mărimii particulelor datorită domeniului larg şi a vitezei ridicate de măsurare.

3.2.1.1. METODA CERNERII

Metoda cernerii este cea mai veche, cea mai simplă şi cea mai întrebuinţată metodă de măsurare. Metoda este utilizată pentru măsurarea mărimii particulelor în domeniul 20-125 μm folosind site din sârmă ţesută. Acest domeniu poate fi extins până la 5 μm folosind site microscopice. Mărimile ochiului sitelor (deschiderea) sunt standardizate şi urmăresc o progresie geometrică cum ar fi 4 2 sau numerele Renard, R 10 (R = 5, 10, 20).

Sitele sunt caracterizate de mărimea reţelei, care reprezintă numărul de ochiuri pe unitatea de lungime. Un număr mare implică o deschidere mică (un ochi mic) a reţelei, de exemplu sita 400 corespunde la o deschidere de 38 μm a ochiului. Deschiderea ochiului indică un diametru echivalent atât pentru sitele circulare cât şi pentru cele rectangulare.

Sitele sunt fabricate prin ţesere din fire, prin perforare sau prin electro-eroziune. Sitele ţesute au ochiurile rectangulare. Celelalte tipuri au ochiurile fie circulare, fie rectangulare.

Page 25: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Proprietăţile pulberilor metalice

19

În instalaţiile de cernere cu vibraţii sitele sunt plasate pe verticală, începând cu dimensiunea cea mai mică de sus în jos. Pulberea este aşezată pe sita superioară. Sitele sunt supuse apoi la vibraţii, rezultând clasificarea pulberii analizate.

Instalaţiile de cernere cu jet de aer şi sonice extind domeniul de utilizare a cernerii uscate până la 10 μm. În instalaţiile de cernere cu jet de aer materialul este supus unui curent de aer a cărui presiune forţează particulele să treacă prin sită. În instalaţiile de cernere sonice, o coloană verticală şi oscilatorie de aer antrenează la rândul ei pulberea într-o mişcare pe verticală, particulele fiind forţate să treacă prin sitele instalaţiei.

La cernerea în condiţii umede se utilizează un set de site cufundate într-un lichid. Cernerea se desfăşoară aplicând asupra masei de pulbere fină, vibraţii, ultrasunete, presiuni sau combinaţii ale acestora. După cernere este obligatorie uscarea fracţiunilor în vederea cântăririi.

3.2.1.2. METODA MICROSCOPICĂ

Analiza microscopică face parte din categoria metodelor de măsurare prin numărare, metodă în care fiecare particulă este observată şi măsurată. Alături de mărimea particulelor, analiza microscopică poate oferii informaţii despre forma particulelor, starea suprafeţei particulelor şi starea lor de aglomerare. Pe lângă acestea, costul mic al măsurătorilor şi manipularea uşoară a probelor constituie avantaje ale metodei. Dezavantajele metodei sunt legate de timpul mare de lucru datorită necesităţii măsurării unui număr foarte mare de particule care poate ajunge la câteva mii, elaborarea greoaie a probelor şi erori de măsurare datorate suprapunerii sau aglomerării particulelor.

3.2.1.3. METODA CONDUCTIVITĂŢII ELECTRICE Metoda constă în determinarea mărimii particulelor în funcţie de scăderea conductivităţii electrice a unui electrolit la trecerea particulelor aflate în suspensie în fluid, printr-o fantă. Schema metodei este prezentată în figura 3.4. Conform figurii 3.4, o incintă (2) din sticlă, prevăzută cu o fantă este plasată într-o altă incintă (1) în care se găseşte o cantitate de electrolit (1% sare şi restul apă). Doi electrozi, unul sub formă de sită, situat în incinta (1) şi altul filiform situat în incinta (2) formează un circuit electric. Incinta (2) este cuplată la o pompă pentru a se asigura circulaţia electrolitului. Metoda de măsurare presupune parcurgerea următoarelor etape: se stabileşte un anumit curent între cei doi electrozi; pulberea se introduce în electrolit în incinta (1). Se porneşte pompa şi datorită presiunii se realizează o circulaţie a electrolitului şi a particulelor. La trecerea particulelor individuale prin fantă se produce o scădere a conductivităţii electrice. Scăderea conductivităţii este proporţională cu

Page 26: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

20

volumul particulei şi ca urmare se vor genera o serie de impulsuri. Se înregistrează automat timpul de trecere prin fantă (figura 3.4).

Fig. 3.4.. Schema de măsurare în metoda conductivităţii electrice

Se determină diametrul particulelor ţinând cont că înălţimea crestelor este egală cu rădăcina cubică din diametrul particulei. Prin calibrarea şi stabilirea corespunzătoare a mărimii fantei (aproximativ 1,6 din mărimea celei mai mari particule) se pot obţine date în domeniul 27:1, limita minimă a mărimii particulei măsurabile fiind de 0.5 μm. Metoda este independentă de forma particulei şi nu este influenţată de conductivitatea materialului particulei. Analiza mărimii particulelor prin metoda conductivităţii electrice este însoţită de o serie de surse de erori şi anume: - Depunerea particulelor în camera exterioară cauzează abateri în determinarea mărimii particulelor fine. Această problemă este mai evidentă în cazul materialelor de densitate mare cum ar fi cele de fier sau wolfram;

- Există posibilitatea aglomerării particulelor la intrarea în fantă. Două tipuri de erori pot să apară la pătrunderea în fantă a două sau mai multe particule după cum ele sunt dispuse orizontal sau vertical. Aceste erori pot să fie minimizate utilizând soluţii extrem de diluate; - Nu trebuie să existe reacţii chimice între particule şi fluid; - Semnalul electric trebuie să fie constant. 3.2.1.4. METODA SEDIMENTĂRII Metoda sedimentării gravitaţionale

Metoda sedimentării se aplică pentru măsurarea mărimii particulelor fine cu dimensiunile cuprinse între 5-60 μm. Particulele în suspensie într-un fluid (lichid sau gaz) se depun cu o viteză dependentă de mărimea acestora şi de

Page 27: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Proprietăţile pulberilor metalice

21

vâscozitatea fluidului. Cunoscând viteza de depunere se poate determina mărimea particulei.

Metoda sedimentării centrifugale Datorită timpului mare de depunere metoda de sedimentare gravitaţională nu mai poate fi aplicată la pulberile cu diametrul sub 5 μm. Pentru aceste particule se recomandă utilizarea sedimentării centrifugale, în care câmpul gravitaţional este înlocuit cu câmpul forţelor centrifuge .

3.3 FORMA PARTICULEI. METODE DE DETERMINARE Forma particulei depinde de procedeul de fabricare al pulberii. De forma particulei depind proprietăţile de presare şi de sinterizare ale amestecului de pulberi. Câteva forme reprezentative ale particulelor de pulbere se prezintă în figura 3.5.

Fig. 3.5. Variaţia formei particulelor în funcţie de mărimea lor

Din figură se observă că odată cu scăderea mărimii particulei forma acesteia tinde să devină sferică.

Particulele de aceeaşi formă şi mărime pot avea o rugozitate a suprafeţei dife-rită. Mărimea rugozităţii poate fi determinată utili-zând analiza fractală. materialului particulei.

Pulberile se caracterizează printr-o su-prafaţă specifică mare. Aceasta este cu atât mai mare cu cât pulberile au o formă neregulată sau/şi sunt mai fine. Trebuie precizat că o suprafaţă specifică mare determină proprietăţi bune de sinterizare.

O metodă de determinare a suprafeţei specifice este metoda rezistenţei întâmpinată de un gaz la trecerea printr-o piesă din pulbere (figura 3.6).

O piesă cilindrică presată din pulberi este plasată într-un tub în care circulă un gaz sub presiune. Datorită rezistenţei pe care o întâmpină gazul la trecerea prin piesa din pulbere, la ieşire, presiunea PE este mai mică decât

Page 28: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

22

presiunea de la intrare, PI. Diferenţa de presiune, ΔP este o măsură a suprafeţei specifice a pulberii şi este cu atât mai mare cu cât suprafaţa specifică este mai mare. Considerând o curgere vâscoasă, ecuaţia Darcy furnizează debitul Q al

fluidului care trece prin materialul poros în funcţie de diferenţa de presiune ΔP şi vâscozitatea fluidului η:

Q = ηαΔ

LAP (3.3)

unde L şi A sunt reprezentate în figura 3.6. Parametrul α este coeficientul de permeabilitate.

Mărimea suprafeţei specifice pe baza ecuaţiei Kozeny-Carman rezultă sub forma:

S = ( )

2/1

2

3

t 1511

⎥⎦

⎤⎢⎣

ε−

εαρ

(3.4)

unde: ε este porozitatea. Suprafaţa specifică care rezultă prin aplicarea relaţiei (3.4) este convertită într-un diametru echivalent. Metoda de analiză este limitată la dimensiuni ale particulelor între 0,5-50 μm.

3.4. PROPRIETĂŢI CHIMICE Pulberile pot conţine o serie de impurităţi care rezultă în urma proceselor

de fabricaţie sau ca urmare a mânuirii şi depozitării acestora. Pulberile elementare sunt materiale în general pure şi analizele chimice

urmăresc numai determinarea cantităţilor de impurităţi. La pulberile aliate sau prealiate analizele chimice urmăresc atât determinarea cantităţilor de impurităţi cât şi a compoziţiei aliajelor.

Impurităţile din pulberi se pot prezenta sub formă de particule inde-pendente (SiO2, Al2O3, grafit, P, Mn), în combinaţii chimice sau aliaje cu metalul de bază (oxizi, cementită) sau sub formă de lichide sau gaze (apă, aer, hidrogen, oxid de carbon) adsorbite. Cantitatea de impurităţi din pulberile de fier este cuprinsă între 0,2-0,3 %.

Impurităţile conduc la o serie de fenomene nedorite în procesele de presare şi sinterizare (modifică capacitatea de presare, gripează matriţele, cauzează deformaţii exagerate la sinterizare sau reacţii chimice secundare). În

Fig. 3.6. Schema determinării suprafeţei specifice prin măsurarea permeabilităţii

Page 29: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Proprietăţile pulberilor metalice

23

multe cazuri acestea sunt situate la suprafaţă modificând esenţial microstructura şi proprietăţile finale ale pieselor sinterizate.

În practică se folosesc patru metode diferite de determinare a compoziţiei şi a conţinutului de impurităţi:

1. Metode convenţionale de analiză chimică. Acestea metode sunt folosite în principal pentru determinarea conţinutului de elemente de aliere;

2. Determinarea pierderilor de greutate în hidrogen la temperatură ridicată ca urmare a reducerii oxizilor;

3. Determinarea constituenţilor reziduali după dizolvarea pulberi în acid clorhidric. În acest mod se determină cantitatea de oxizi şi silicaţi nereductibili;

4. Determinarea conţinutului total de oxigen.

3.5. PROPRIETAŢI TEHNOLOGICE ALE PULBERILOR

3.5.1. FLUIDITATEA Fluiditatea reprezintă capacitatea de curgere a unei mase de pulberi şi caracterizează frecarea dintre particulele ei. Cunoaşterea fluidităţii este necesară la dimensionarea matriţelor şi a sistemelor de alimentare şi pentru reglarea timpului de alimentare cu pulbere a matriţelor.

Capacitatea de curgere a pulberii este reprezentată de cantitatea de pulbere care curge în unitatea de timp printr-o pâlnie cu orificiul calibrat. Pâlnia poartă denumirea de floumetrul Hall şi dimensiunile orificiului calibrat sunt de 2,54 mm pentru pulberile care curg liber şi de 5 mm pentru pulberile care manifestă o frecare interparticule mare .

Fluididatea se exprimă ca timpul de curgere prin fluometru a unei cantităţi de 50 g de pulbere. Timpii de curgere mici sunt caracteristici pulberilor cu frecări interparticule mici şi vor determina umplerea rapidă şi completă a cavităţilor matriţelor chiar dacă acestea au formă complexă. La pulberile fine timpii de curgere sunt mari datorită frecări interparticule mari. Aceaste frecari conduc, la pulberile fine, la anularea acestei proprietaţi, şi ridică o serie de probleme tehnologice.

Îmbunătăţirea capacităţii de curgere se face prin adăugarea unei cantităţi de lubrifiant. Utilizarea însă a unei cantităţi mai mari de lubrifiant are,

R

Fig. 3.7 . Schema determinării unghiului conului de frecare

Page 30: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

24

ca şi în cazul utilizării pulberilor oxidate, efecte negative la operaţiile de presare şi sinterizare.

Unghiul conului de frecare este, alături de fluiditate, o măsură a frecării interparticule. Unghiul conului de frecare (figura 3.7) este unghiul conului format prin curgerea unei cantităţi de pulbere pe o suprafaţă plană, utilizând fluometrul Hall. El este dat de relaţia: tg α = H / R (3.5) în care H si R au semnificaţia din figură.

3.5.2. DENSITATEA PULBERII

Densitatea este o proprietate fizică importantă de care se leagă capacitatea de presare şi sinterizare a unei pulberi sau a unui amestec de pulberi. Există trei moduri de a caracteriza densitatea unei pulberi şi anume:

- densitatea aparentă, ρa; - densitatea în stare tasată, ρtas; - densitatea teoretică, ρt .

Densitatea aparenta, ρa reprezintă raportul dintre masa m a pulberii si volumul V ocupat de aceasta, când pulberea este lăsată să curgă liber într-un recipient.

Densitatea aparentă este dependentă de caracteristicile particulelor de pulbere (formă, dimensiune, starea suprafeţei şi compoziţia granulometrică) şi caracterizează capacitatea de împachetare a particulelor. Cu cât particulele sunt mai fine şi/sau mai neregulate, cu atât densitatea aparentă este mai mică. Pe de altă parte, un amestec de fracţiuni de pulbere format din particule fine şi grosiere (particulele fine vor ocupa spaţiile libere dintre particulele grosiere) va avea o densitate aparentă mai mare şi va asigura o capacitate de împachetare mai mare cu efecte pozitive asupra densificării prin presare.

Tabelul 3.2. Proprietăţi tehnologice ale unor tipuri de pulberi Nr. Crt.

Tipul pulberii

Densitatea aparentă, ρa, [ g/cm3]

Fluiditatea [ s/50g]

1. D.W.P. 2,5 – 2,7 <33 2. DP 200 HD 2,8 –3,1 <30 3. DUAL 2,6 – 2,8 <30 4. NC100.24 2,44 30 5. ASC100.29 2,96 24

Page 31: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Proprietăţile pulberilor metalice

25

Densitatea aparentă a pulberii trebuie să fie constantă pentru a se realiza reproductibilitatea procesului de presare. La sinterizare, o densitate aparentă mică a pulberii va produce o contracţie mare a piesei care va conduce în final la introducerea unor operaţii secundare pentru atingerea preciziei cerute.

Densitatea în stare tasată, ρtas este cea mai mare densitate care poate fi obţinută când o cantitate de pulbere este vibrată de o forţă exterioară. Ea este dependentă de frecarea interparticule. Vibrarea poate fi făcută manual sau mecanic.

Densitatea teoretică a amestecului de pulbere, ρt, este densitatea masei de pulbere în condiţiile în care porozitatea este eliminată complet. Pentru deter-minarea acestei mărimi se foloseşte relaţia:

ρt = M M M M

V V V Vn L

n L

1 2

1 2

+ + + ++ + + +

...

... [g/cm3] (3.6)

în care: M1…Mn - masa fiecărui element din compoziţia pulberii; - ML - masa de lubrifiant din amestec; - V1 … Vn - volumul ocupat de fiecare element în parte în masa de pulbere; - VL - volumul ocupat de lubrifiant în amestec.

În tabelul 3.3 se prezintă densităţile şi volumele specifice teoretice pentru diverse tipuri de materiale şi pulberi.

Se observă că densitatea teoretică a pulberii influenţează proprietăţile pulberii presate. De aceea unele substanţe mai dense decât fierul îmbunătăţesc densitatea la aceiaşi presiune, altele mai puţin dense micşorează densitatea în special la presiuni mari. Este cazul lubrifianţilor care au un efect pozitiv la presiuni medii de compactare dar negativ la presiuni mari.

Tabelul 3.3. Densităţile teoretice ale unor materiale utilizate la presarea pulberilor

Material Densitate teoretică la porozitate zero, [g/cm3]

Volumul teoretic specific [ cm3/g]

Fier pur 7,8680 0,1271 Siliciu pur 2,3000 0,4348

FeO 5,3000 0,1754 Grafit 2,2400 0,4464

Aluminiu 2,7000 0,3704 NC 100-24 7,7960 0,1283 SC 100-26 7,8045 0,1281

ASC 100-30 7,8575 0,1273 Cupru electrolitic 8,9500 0,1117

Nichel pur 8,9020 0,1123 Stearat de zinc 1,0000 1,0000

Parafina sintetica 1,0000 1,0000

Page 32: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

26

Fig. 3.8. Schema pentru determinarea compresibilităţii pulberilor: a-etapele de presare;

b-diagrama tipică de compresibilitate

3.5.3. COMPRESIBILIATEA PULBERII

Pentru obţinerea preciziei pieselor sinterizate trebuie alese acele pulberi care în urma presării şi sinterizării conduc la cele mai mici modificări dimensionale. La rândul lor aceste modificări sunt rezultatul distribuţiei densităţii în volumul semifabricatului presat distribuţie care este dependentă de presiunea aplicată masei de pulbere.

Variaţia densităţii unei mase de pulberi când aceasta este presată într-o matriţă rigidă caracterizează compresibilitatea.

Determinarea com-presibilităţii se face pe baza unor standarde intern-aţionale (ASTM B 351-92; MPIF Standard 45; ISO Standard 3927) şi naţionale (STAS 9098) şi are la bază schema prezentată in figura 3.8.

La aceeaşi presiune, valoarea com-presibilităţii exprimată prin dependenţa densitate-pre-siune este diferită în funcţie de natura pulberii şi con-stituie factorul principal în proiectarea matriţelor de presare şi în alegerea utilajelor. Dependenţa densitate-presiune se prezintă sub forma curbei de compresi-bilitate.

Curba de compresibilitate porneşte din punctul corespunzător densităţii de umplere ρu egală cu valoarea densităţii aparente ρa şi la presiuni foarte mari, se apropie asimptotic de densitatea teoretică ρt a materialului pulberii sau al amestecului de pulberi.

Conform standardelor cel mai simplu mod de a determina compresi-bilitatea unei pulberi este de a reprezenta grafic evoluţia densităţii măsurată pe semifabricatul presat după eliminarea din matriţă, în funcţie de presiunea aplicată (figura 3.8). Pentru pulberile care trebuie să conducă la o densitate ridicată a semifabricatelor presate se recomandă ca domeniul presiunilor de încercare să fie cuprins între 200-700 MPa. Presiunile standard sunt de 4,2 t/cm2 sau 600 MPa.

O alta metodă de determinarea a compresibilităţii constă în evaluarea densităţii pulberii presate din interiorul matriţei sub acţiunea forţei de presare.

Page 33: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Proprietăţile pulberilor metalice

27

Fig.3.9. Curbe de compresibilitate cu lubrifiere în volum şi pe suprafaţă

Determinarea dependenţei densitate-presiune se poate face pe de altă parte la greutate constantă sau la înălţime constantă. Utilizarea metodei la înălţime constantă corespunde cel mai bine cazului real de presare având în vedere că înălţimea este un parametru constructiv a piesei respective. Astfel la aceeaşi înălţime a piesei, greutatea ei finală ei poate regla în funcţie de densitatea obţinută prin presare. Se menţionează că la realizarea curbelor de compresibilitate trebuie să se folosească lubrifiant. Lubrifiantul are un rol foarte important în micşorarea forţelor de frecare dintre particule şi dintre acestea şi pereţii matriţei, conducând la obţinerea unor comprimate de densitate uniformă.

Lubrifierea se poate face în volum sau pe suprafaţă. Ca urmare determinarea compresibilităţii se poate face cu lubrifiere în volum sau cu lubrifiere pe suprafaţa (figura 3.9). Lubrifierea pe suprafaţă se recomandă pentru presarea pulberii la presiuni ridicate sau pentru semifabricatele deja sinterizate care necesită operaţii suplimentare de represare sau calibrare. Există o valoare a cantităţii de lubrifiant care dacă este depăşită conduce la apariţia unor fenomene de inhibiţie în timpul procesului de sinterizare. Compresibilitatea în majori-tatea cazurilor caracterizează corect comportarea la deformare a pulberii. În cazurile în care raportul dintre suprafaţa de frecare şi suprafaţa de presare este ridicat, aprecierea comportării la deformare prin prisma compresibilităţii poate conduce la o subestimare a presiunii de presare necesare realizării unei densităţii medii.

Din punct de vedere al compresibilităţii pulberile de fier se clasifică în: I. normal compresibile; II. înalt compresibile; III. super compresibile.

Această clasificarea are la bază valoarea densităţii care se obţine pentru diferite presiuni de presare. Astfel pulberile super compresibile ating o valoare mare a densităţii pentru presiuni mici de presare. De exemplu, densitatea de 6,5 g/cm3 se obţine la o presiune de 310 MPa. Aceeaşi densitate se obţine la o

Page 34: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

28

presiune de 370 MPa pentru o pulbere înalt compresibilă şi la o presiune de 450 MPa pentru o pulbere normal compresibilă. Două implicaţii majore rezultă asupra încărcării sculelor de presare şi în alegerea utilajelor de presare din punct de vedere energetic. În figură, nivelul de densificare Nd se defineşte ca raportul dintre densitatea de presare şi densitatea teoretică a masei de pulbere (figura 3.10).

Fig. 3.10. Curbe de compresibilitate pentru pulberile: a. normal compresibile;

b. înalt compresibile; c. super compresibile. În final, analiza proprietăţilor unei pulberi este o activitate complexă care

necesită consum mare de manoperă şi timp. Pentru fiecare caz în parte trebuie folosite acele tipuri de teste care pun în

evidenţă proprietăţile principale ale pulberii, proprietăţi care influenţează calitatea piesei sinterizate.

Page 35: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Formarea pulberilor

29

CAPITOLUL 4

FORMAREA PULBERILOR 4.1 INTRODUCERE Pentru transformarea amestecului de pulberi într-o piesă compactă se folosesc o serie de metode de formare. Formarea este a doua operaţie din procesul tehnologic de obţinere a pieselor sinterizate şi se poate desfăşura la rece sau cald în prezenţa sau absenţa presiunii. Cele mai importante metode de formare sunt prezentate în tabelul 4.1

Tabelul 4.1. Metode de formare a pulberilor Metode convenţionale Metode speciale

Formare şi sinterizare simultană

Sinterizare în stare liber vărsată

Sinterizare sub presiune Rapid-prototyping

Formare şi sinterizare Presarea axială Presarea izostatică la rece Presarea izostatică la cald

Presarea cu impulsuri magnetice

Presarea cu impulsuri electrohidrodinamice Presarea prin explozie

Formare, sinterizare şi calibrare

Calibrare, Represare, Forjare,

Deformare orbitală, Injectarea pulberilor metalice

Presarea izostatică la cald

Extrudare la rece Extrudare la cald

Laminare

Alegerea uneia din metodele prezentate mai sus trebuie să conducă la obţinerea celor mai bune proprietăţi mecanice , tehnologice şi de exploatare ale pieselor sinterizate.

4.2 PRESAREA AXIALĂ A PULBERILOR Presarea axială a pulberilor este cea mai importantă şi cea mai utilizată metodă de formare în fabricarea pieselor din pulberi pentru construcţia de maşini.

Page 36: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

30

Pentru piesele din construcţia de maşini cu excepţia filtrelor şi lăgărelor autolubrifiante densitatea semifabricatelor presate trebuie să fie ridicată. Acest lucru asigură proprietăţi de rezistenţă bune în stare presată şi ceea ce este foarte important conduce la schimbări dimensionale mici în urma tratamentului de sinterizare.

4.2.1. MECANISME DE DENSIFICARE A PULBERILOR

Forţa exterioară aplicată induce gradat în masa de pulbere metalică o presiune axială care determină densificarea materialului. Densificarea materialului este însoţită de o serie de fenomene numite mecanisme de densificare (tabelul 4.2).

Tabelul 4.2. Mecanisme de densificare Mecanismul Interacţiunea

pulbere-matriţă Rearanjarea particulelor

Deformarea particulelor

Consecinţe Rotaţie asupra Frecare Plastifiere

particulelor Alunecare

Factori de influenţă

Starea suprafeţei matriţei şi a particulei

Duritatea matriţei şi a particulei

Starea suprafeţei pulberii Geometria pulberii

Tensiunea de curgere a materialului

La presiuni mici, sub 0,03 Mpa ca urmare a interacţiunii pulbere-pulbere se produce primul fenomen de rearanjare a particulelor. Aceste fenomen se traduce prin rotaţia şi alunecarea particulelor unele faţă de altele. Nu se poate vorbi de nici-o coeziune între particule, contribuţia acestui fenomen la densificare fiind de numai 5-10%. Pe măsură ce poansonul pătrunde în matriţă se produce deformarea plastică a particulelor individuale care are ca efect micşorarea porilor şi apariţia coeziunii mecanice dintre particule.

În final, deformarea plastică a întregii mase de pulberi va conduce la obţinerea semifabricatului de forma şi dimensiunile dorite şi la obţinerea unei anumite densităţi a acestuia. Procesul de densificare este frânat de o serie de factori fizici şi mecanici şi anume: frecarea dintre pulbere şi pereţii matriţei, ecruisarea materialului ca urmare a deformării plastice a particulelor şi scăderea tensiunilor tangenţiale maxime la nivelul particulelor.

4.2.2. CALCULUL PRESIUNII AXIALE

Forţele de frecare de la nivelul pereţilor matriţei reduc gradul de densificare al pulberii, opunându-se forţei exterioare aplicată de poansonul de

Page 37: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Formarea pulberilor

31

presare. Cu creşterea distanţei de la suprafaţa frontală a poansonului, în masa de pulbere, presiunea axială transmisă scade. Acest lucru devine cu atât mai evident cu cât raportul înălţimea coloanei de pulbere – diametrul matriţei este mai mare.

Pentru calculul presiunii axiale se consideră presarea unei pulberi într-o matriţă circulară cu diametrul interior, 2r. Poansonul superior a intrat în matriţă şi a presat pulberea la o anumită densitate. Coloana de pulbere presată se împarte imaginar într-un număr de discuri, de înălţime suficient de mică. La distanţa x de la faţa poansonului se izolează un astfel de disc de înălţime dx (figura 4.1).

Tensiunea axială care acţionează la nivelul feţei superioare a discului este σa(x). Datorită frecării dintre suprafaţa laterală a discului şi peretele matriţei, tensiunea axială σa(x+dx), care acţio-nează la nivelul feţei inferioare a discului va fi mai mică decât tensiunea σa(x). Se face în continuare ipoteza că forţa de frecare este proporţională cu tensiunea axială σa(x) şi cu aria laterală a discului. În aceste condiţii se va calcula următorul bilanţ energetic. Forţa care acţionează la nivelul feţei superioare a discului este: Fasup = π r2 σa(x) . (4.1) Forţa care acţionează la nivelul feţei inferioare a discului este: Fainf = π r2 σa(x+dx) . (4.2)

Forţa de frecare care se manifestă pe faţa laterală a discului este: Ff = μ 2πr dx σa(x) . (4.3)

Scriind echilibrul forţelor rezultă:

σa(x+dx) - σa(x) = - μ 2 dx σa(x) / r . (4.4)

Prin integrare se va obţine:

σa(x) = σa(0) rx

eμ2−

. (4.5)

Fig. 4.1. Schema determinării presiunii axiale la presarea pulberilor în matriţă

Page 38: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

32

Dacă se notează cu A, aria secţiunii şi cu M, perimetrul, atunci relaţia

(4.5) mai poate fi scrisă şi sub forma:

σa(x) = σa(0) AMx

eμ−

. (4.6) Ţinând cont şi de raportul f dintre presiunea axială şi cea radială, atunci relaţia (4.6) devine:

σa(x) = σa(0) AMxf

eμ−

. (4.7) Se notează cu K1 şi K2, următoarele expresii: K1 = μf . (4.8)

K2 = AMx . (4.9)

Exponentul, K1 este de natură fizică şi K2 este de natură geometrică. Cu aceste notaţii expresia (4.7) devine: σa(x) = σa(0) 21 KKe− . (4.10) Aşa cum rezultă din relaţia de mai sus, tensiunea axială este dependentă atât de geometria semifabricatului (exponentul K2) cât şi de factorii de proces (exponentul K1). Cel mai important parametru geometric este raportul înălţime/diametru al semifabricatului presat. La presarea semifabricatelor de înălţime mică şi de diametru mare se obţin tensiuni ridicate care necesită forţe mari de presare. Pentru reperele cu înălţimea mai mică de 6 mm, presarea în matriţă nu se mai recomandă. Efectul lubrifierii este de reducere a valorii densităţii semifabricatelor chiar dacă determină scăderea forţelor de frecare.

4.2.3. FORŢA DE ELIMINARE ŞI REVENIREA ELASTICĂ A SEMIFABRICATULUI PRESAT

O consecinţă directă a prezenţei tensiunii radiale reziduale, σr, în materialul presat este necesitatea utilizării unei forţe mari pentru eliminarea semifabricatului din matriţă. Se consideră un semifabricat presat de înălţime h, plasat într-o matriţă cu diametrul interior, 2r. Coeficientul de frecare la nivelul peretelui matriţei este μ. În aceste condiţii forţa de eliminare este dată de relaţia:

Page 39: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Formarea pulberilor

33

Felim = μ 2 π r h σr , (4.11) iar presiunea exercitată de poansonul inferior asupra semifabricatului este: Pinf = Felim / π r2 = σr 4 μ h / 2 r, (4.12) Din relaţia de mai sus rezultă că presiunea, Pinf, care acţionează asupra părţii inferioare a semifabricatului este cu atât mai mare cu cât raportul înălţime – diametrul semifabricatului (h/2r) este mai mare. Forţa de eliminare este de asemenea direct proporţională cu coeficientul de frecare μ. La începutul procesului de eliminare, coeficientul de frecare μ, şi corespunzător forţa de eliminare Felim, prezintă un maxim (frecare de adeziune) peste valoarea normală (frecare de alunecare) a acesteia (figura 4.2). În anumite cazuri această valoare poate depăşi chiar valoarea forţei de presare. Rezultă două consecinţe: a. la nivelul suprafeţei inferioare a semifabricatului apare o redensificare; b. un poanson inferior lung şi zvelt, chiar dacă rezistă forţei de presare, se va deforma sau se va rupe sub acţiunea forţei de eliminare. Dacă peretele matriţei de presare este nefinisat sau insuficient lubrifiat, atunci pot apare suduri la rece între semifabricat şi peretele matriţei, recunoscute după creşterea excesivă a presiunii de eliminare şi apariţia fenomenului de stick-slip. O altă consecinţă a prezenţei presiunii radiale reziduale apare la eliminare, în momentul în care semifabricatul trece de suprafaţa frontală a matriţei. Partea superioară a semifabricatului se des-tinde elastic, în timp ce partea inferioară este încă sub influenţa presiunii reziduale radiale. Tensiunea de alunecare orizontală care apare în această situaţie poate genera ruperea transversală a semifabricatului. Pentru a elimina efectul tensiunii de alunecare şi apariţia ruperilor în semifabricat, se recomandă fie teşirea, fie rotunjirea muchiei matriţei la intrare. Revenirea elastică a semifabricatului după eliminare se defineşte cu formula:

δ = i

fi

LLL − , (4.13)

unde: Li este una din dimensiunile matriţei; Lf – este dimensiunea finală corespunzătoare a semifabricatului.

Fig. 4.2. Aliura curbei de eliminare a semifabricatului presat din matriţă

Page 40: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

34

Revenirea elastică este mare în direcţie transversală şi minimă în direcţie axială. 4.2.4. TEHNOLOGIA PRESĂRII Tehnologia de presare al pulberilor poate fi divizată în trei etape:

I. alimentarea matriţei; II. presarea pulberii; III. eliminarea semifabricatului din matriţă.

4.2.4.1 Alimentarea matriţei Pulberea este adusă în zona de presare de dispozitivul de alimentare şi ea curge în cavitatea matriţei sub greutatea proprie. Cu cât secţiunea matriţei este mai complexă cu atât alimentarea este mai dificil de realizat. În marea majoritate a cazurilor la presarea axială a pulberilor metalice dimensiunile particulelor sunt cuprinse între 0,15-0,20 mm. Pentru o curgere şi alimentare corectă a matriţei cu pulbere trebuie ca cea mai mică dimensiune a secţiunii transversale a matriţei să fie teoretic mai mare decât dimensiunea celei mai mari particule de pulbere. Alimentarea se poate face, fie în matriţe cu înălţime de umplere reglabilă fie în matriţe cu înălţime fixă de umplere. Umplerea matriţei se face prin treceri succesive ale dispozitivului de alimentare peste matriţă. Mişcare se face în aşa fel încât pulberea să se depună în straturi cât mai subţiri şi uniforme. Dimensiunea orificiului de curgere şi timpul de curgere depind de tipul pulberii. În cazul utilizării matriţelor cu înălţime constantă diametrul orificiului dispozitivului de alimentare este egal cu diametrul zonei active a matriţei şi înălţimea egală cu cea de umplere. Introducerea în cavitatea matriţei a unei cantităţi constante de pulbere se face prin mai multe procedee. Umplerea prin curgerea liberă a pulberii. Este metoda utilizată în majoritatea cazurilor de alimentare pentru obţinerea semifabricatelor presate, inclusiv la cele cu suprafeţe conice şi la cele care necesită pentru presare poansone inferioare multiple. Poziţia de umplere este realizată fie prin mişcarea matriţei (figura 4.3) fie prin mişcarea poansonului inferior. Pentru că matriţa se mişcă prima pentru realizarea cavităţii de umplere, şi apoi în etapa a doua se deplasează alimentatorul pentru dozarea pulberii,

Page 41: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Formarea pulberilor

35

alimentatorul eate prevăzut cu o mână mecanică pentru eliminarea semifabricatului de pe presă. Prezenţa aerului în camera de umplere poate avea efecte negative asupra calităţii semifabricatului presat.

Fig. 4.3. Schiţa alimentării prin curgere liberă

Umplerea prin aspiraţie În acestă metodă, alimentatorul este adus în zona orificiului matriţei, înainte ca poansonul sau placa să se deplaseze pentru realizarea cavităţii de umplere (figura 4.4). Curgerea cantităţii de pulbere are loc atunci când poansonul sau placa s-au deplasat. Datorită lipsei aerului în cavitatea matriţei, semifabricatul presat va avea o densitate uniformă. Pentru că alimentatorul se deplasează primul pe placa matriţei, şi apoi în etapa a doua are loc deplasarea matriţei pentru formarea cavităţii de umplere, semifabricatul presat poate fi eliminat de pe presă de către alimentator, fără a se folosi o mână mecanică.

Fig. 4.4. Schiţa alimentării prin curgere liberă

Page 42: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

36

4.2.4.2. PRESAREA PULBERII Presarea este cea de-a doua fază a tehnologiei de presare şi se poate desfăşura pe prese mecanice, hidraulice sau mecano-hidraulice. Gradientul de densitate care apare la presare poate fi minimizat adoptând un anumit sistem de presare. Elementele componente ale procesului de presare sunt prezentate în figura 4.4.

Fig. 4.4. Elementele componente ale procesului de presare

În funcţie de modul de aplicare a presiunii asupra pulberii, presarea poate fi: unilaterală sau cu simplă acţiune, bilaterală sau cu dublă acţiune, cu matriţă mobilă şi cu matriţă mobilă cu mişcare controlată (figura 4.5) La presarea unilaterală (figura 4.5a ) atât matriţa cât şi poansonul sunt fixe, presiunea aplicându-se masei de pulbere prin intermediul poansonului superior mobil.

Într-o piesă presată unilateral, densitatea maximă se obţine la nivelul suprafeţei de contact dintre poansonul superior şi pulbere şi scade pe înălţime fiind minimă la nivelul suprafeţei de contact cu poansonul inferior. La presarea bilaterală (figura 4.5, b), presiunea se transmite pulberii prin ambele poansoane care sunt mobile. Simetria distribuţiei presiunii conduce la simetria distribuţiei densităţii faţa de suprafaţa de mijloc a semifabricatului. În această zonă, numită zonă neutră, densitatea are valoare minimă.

Distribuţia simetrică a densităţii previne distorsiunea piesei care poate apare la sinterizare. Aceeaşi simetrie a distribuţiei densităţii se obţine şi în cazul presării cu matriţă mobilă (figura 4.5, c) La acest tip de presare matriţa se sprijină pe o serie de elemente elastice (arcuri, cauciuc, etc). În timpul procesului de presare, matriţa este antrenată în mişcare ca urmare a frecării care apare între pulbere şi peretele matriţei. Forţa se transmite prin intermediul poansonului superior.

Page 43: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Formarea pulberilor

37

a. b.

c. d.

Fig.4.5. Sisteme de presare: a-unilaterală; b-bilaterala: c-cu matriţă mobilă;

d-cu matriţă mobilă cu mişcare controlată

O variantă îmbunătăţită a acestei metode este presarea cu matriţă mobilă cu mişcare controlată (figura 4.5, d). În acest caz, mişcarea matriţei este controlată folosind sisteme hidraulice sau mecanice (acţionare cu came). În funcţie de presiunea aplicată prin intermediul poansoanelor distribuţia densităţii pe înălţime poate fi modificată în limite largi. Zona neutră poate ocupa orice poziţie în funcţie de configuraţia piesei.

Page 44: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

38

4.2.4.3. ELIMINAREA SEMIFABRICATULUI PRESAT

Pentru eliminarea semifabricatului presat din matriţa de presare se folosesc două sisteme: prin mişcarea poansonului inferior sau prin mişcarea matriţei (figura 4.6).

Eliminarea prin mişcarea poansonului inferior se aplică la piesele de configuraţie simplă. După presare, poansonul superior se retrage iar cel inferior se deplasează în sus eliminând semifabricatul. În timpul fazei de eliminare, matriţa este fixă.

Fig. 4.6. Sisteme de eliminare a semifabricatelor presate din matriţă: a-prin mişcarea

poansonului inferior; b-prin mişcarea matriţei Eliminarea prin mişcarea matriţei este metoda cea mai utilizată de extragere a semifabricatului din matriţă. După presare, poansonul superior se retrage iar matriţa se deplasează în jos conducând la eliminarea semifabricatului. În timpul fazei de eliminare, poansonul inferior este fix.

4.2.5. PROIECTAREA FORMEI PRESATULUI Mai mult decât oricare sector de fabricaţie, proiectantul nu trebuie să se

mulţumească cu realizarea unei configuraţii funcţionale a piesei. El trebuie să aibă în vedere specificul fabricaţiei şi să proiecteze o piesă ţinand seama în acelaşi timp şi de configuraţia tehnologică raţională.

La proiectarea formei semifabricatelor realizate din pulberi trebuie avut în vedere :

Page 45: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Formarea pulberilor

39

- semifabricatul presat trebuie să poată fi eliminat uşor din matriţă, fără a se deteriora;

- elementele active ale matriţei trebuie să aibă suficientă rezistenţă pentru a face faţă solicitărilor mecanice ridicate şi repetate din timpul fabricării.

Principalele indicaţii ce urmează (vezi tabelul 4.3) sunt utile în proiectarea formei semifabricatelor în cazurile cele mai utilizate în practică.

1. Grosimea pereţilor: Grosimea minimă a pereţilor este dictată de forma şi dimen-siunile piesei finale. Grosimea minimă recomandată este de 1,52 mm. 2. Formele sferice: Formele sferice complete nu pot fi obtinuţe în presarea convenţională, datorită faptului că poansonele necesare pentru formare s-ar termina cu o muchie ascuţită. De aceea formele sferice se execută fie prin modificarea constructivă a acestora (tabelul 4.3) fie cu un prag de min. 0,25 mm la nivelul diametrului.

3. Treptele: Treptele simple sau pragurile care nu depăşesc 15% din înălţimea totală a semifabricatului pot fi realizate de suprafeţele frontale ale poansonelor, profilate corespunzător. În aceleaşi condiţii pot fi realizate teşiri sau adânciri. Nu se folosesc poansoane monobloc pentru obţinerea treptelor mai mari datorită variaţiilor de densitate de la o treaptă la alta. Pentru aceste piese, pentru obţinerea unor densităţi uniforme, este necesară utilizarea unor poansoane multiple, fiecare poanson materializând o treaptă. Diferenţa dintre o treaptă şi alta, în direcţie radială, pe rază, se recomandă a fi de min. 1,5 mm. 4. Caractere alfanumerice: Orice caracter alfanumeric poate fi obţinut prin presare pe suprafeţele frontale ale semifabricatelor, orientate perpendicular pe direcţia presării. Ele se pot obţine şi pe alte suprafeţe dacă acestea au înclinarea corespunzătoare condiţiei de eliminare. 5. Conicităţile: Suprafeţele înclinate se recomandă să se termine cu o porţiune paralelă cu direcţia presării, de max. 0,25 - 0,5 mm, pentru a prevenii impactul dintre elementele active. Suprafeţele conice pentru piesele de rezistenţă ridicată se recomandă a fi evitate.

6. Flanşele: Flanşele de diametru mic pot fi realizate uşor. În cazul flanşelor de diametru mare se pot folosi poansoane suplimentare pentru a evita deteriorarea flanşei la elimina-re. Pentru flanşele de grosime mare se recomandă ca suprafeţele laterale să fie înclinate cu unghiuri mici de 2-3P

0P.

7. Găurile: Găurile în direcţia presării se pot obţine simplu cu ajutorul unor dornuri. Se pot obţine de asemenea găuri înfundate, găuri în trepte, găuri înclinate sau găuri cu diferite forme care sunt dificil de realizat pe maşini-unelte. Diametrul maxim al găurilor este limitat de grosimea pereţilor. Diametrul minim depinde de adâncimea găurii. Acesta nu trebuie să fie mai mic de 20% din adâncimea găurii; practic se poate obţine un diametru de min. 2 mm.

8. Filete şi raze: Filetele nu se pot obţine în presarea axială. Razele la colţ se preferă să fie înlocuite cu teşituri.

Page 46: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

40

Tabelul 4.3. Soluţii constructive în proiectarea formei pieselor sinterizate Nr. crt.

INDICAŢII TEHNOLOGICE

FORMA NETEHNOLOGICĂ

FORMA TEHNOLOGICĂ

1.

La muchiile exterioare nu sunt posibile rotunjiri.

2.

Teşirea muchiilor se execută pe cât posibil la un unghi mai mic de 30°.

3.

Muchiile interioare se vor rotunji, iar cele exterioare se vor forma pe cât posibil dreptunghiular

4.

Se vor evita profilele Z datorită imposibilităţii de presare. Se prevede o prelucrare mecanică.

5.

Se recomandă un număr scăzut de trepte succesive. Se recomandă: un unghi de degajare pentru bosajul superior; d ≥ 3…4 mm; h ≤ 1,2e; α ≥ 7°

6.

Se vor evita canalele subţiri şi adânci. Se recomandă: e ≥ P/3 şi e ≥ 2…3 mm

9. Teşiturile: Teşiturile sunt preferabile razelor. Unghiurile mai mici de

30P

0P faţă de orizontală sunt obţinute fără probleme. Unghiurile între 30-45P

0P

300500

e

P

e e

h h

d d

Page 47: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Formarea pulberilor

41

trebuie să se termine cu o zonă plană de min. 0,25mm. Unghiurile peste 45P

0P

trebuie evitate.

Tabelul 4.3. Soluţii constructive în proiectarea formei pieselor sinterizate - continuare Nr. crt.

INDICAŢII TEHNOLOGICE

FORMA NETEHNOLOGICĂ

FORMA TEHNOLOGICĂ

7.

La piesele cu alezaj poligonal se vor evita unghiurile ascuţite. Se recomandă o rază r = 0,5…1 mm

8.

La piesele conice se recomandă o porţiune cilindrică la vârf e ≥ 0,5mm

9..

La piesele sferice se prevede o porţiune cen-trală cilindrică, l ≥ 2 mm

4.2.6. CONTROLUL CALITĂŢII PRESATELOR

Semifabricatul obţinut prin presare, trebuie să corespundă din punct de

vedere calitativ următoarelor condiţii: - suprafeţele să fie netede, fără zgârieturi, muchiile întregi, fără ştirbituri; - să nu prezinte fisuri; - la controlul vizual nu trebuie să se remarce zone cu porozitate mărită; - densitatea trebuie să corespundă cu cea din desenul semifabricatului

presat; - dacă presatul are forma unui corp de rotaţie, coaxialitatea suprafeţelor

interioare şi exterioare trebuie să fie cuprinse în limite admisibile. Controlul primelor trei condiţii se face prin examinarea vizuală cu ajutorul

lupei. Densitatea se controlează în funcţie de complexitatea piesei, la cele

complexe pe zone şi la cele simple global. La piesele de forma simplă, se poate înlocui controlul densităţii prin controlul greutăţii, atunci când dimensiunile lor se încadrează în limitele de toleranţe admise.

r

e

l

Page 48: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

42

Controlul vizual se face cu 5-10% din semifabricate, iar cel dimensional la 1% din lot.

Dar cele mai multe ori, rebuturile de presare, dacă apar, nu sunt izolate, ci frecvente tocmai datorită unor cauze obiective şi deci combaterea lor necesită revizuirea întregului flux tehnologic care le precede, precum şi revizuirea utilajului.

4.2.7. PRESE PENTRU PRESAREA ÎN MATRIŢA A PULBERILOR

Pentru obţinerea pieselor prin presare în matriţă se utilizează curent prese

mecanice, hidraulice sau mecano-hidraulice, cu o singură sau cu mai multe mişcări cu forţe de presare între 1,5-1500 tf, sau chiar mai mult. Ele trebuie să îndeplinească următoarele condiţii:

- să asigure forţe de presare suficient de mari în direcţiile de lucru; când poansonul inferior serveşte numai la scoaterea presatului din matriţă, forţa lui poate sa fie numai 50% din cea de presare, dar numai mica;

- să se poată regla precis şi în limite largi atât cursa cât şi viteza mişcării în gol, a mişcării de presare şi a mişcării de scoatere;

- să se poată regla adâncimea de umplere a matriţei, atât prin schimbarea poziţiei poansonului inferior, cât şi prin deplasarea matriţei propriu-zise;

- să se poată sincroniza mişcările poansoanelor la presarea pieselor cu mai multe trepte, condiţie absolut necesara pentru realizarea unor presate omogene;

- numărul curselor de lucru să se poată regla în limite largi; - construcţia presei sa fie rigidă; părţile componente ale preselor sunt

confecţionate din oţeluri aliate şi fonte de înaltă rezistenţă; - să aibă rezistenţă mare la uzură determinată de abrazivitatea pulberilor.

Părţile mobile, lubrifiate sau nu, între care ar putea să curgă pulbere, să fie protejate prin apărători speciale;

- să fie uşor de manipulat şi întreţinut; - să aibă productivitate.

Presele mecanice sunt cele mai utilizate la fabricarea în serie, având cea mai mare productivitate. Sistemele de acţionare a acestor prese pot fi cu excentric, arbore cotit, mecanism cu articulaţii, came, sau o combinaţie a acestora. Forţa lor nu depăşeşte 250 tf.

Presele cu excentric, de obicei cu o singura mişcare, corespund fabricării reperelor de înălţime mică. Presele cu arbore cotit permit presarea bilaterala a unor repere mai înalte şi mai complicate.

Presele cu came se caracterizează mai ales prin posibilitatea acţionării independente atât a poansoanelor, cât şi a matriţei. Presele cu came, ca de altfel toate presele cu mişcări multiple, simplifică dispozitivul de presare şi prin asta scade preţul de cost al produsului. Profilul camelor poate fi astfel realizat, încât mişcările diferitelor elemente ale matriţei, precum si ale dispozitivelor de dozare

Page 49: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Formarea pulberilor

43

şi de scoatere, să se desfăşoare după un program care să corespundă celui mai avantajos mod de presare. Combinând sistemul de acţionare cu came cu alte sisteme tot mecanice (excentric, pârghie articulată sau arbore cotit) se obţin prese care reunind principalele avantaje ale sistemelor, îşi măresc domeniul de utilizare.

Presele hidraulice sunt utilizate pentru forţe cuprinse intre 100-5000 tf. Utilizarea lor este justificata atât prin faptul ca pot realiza curse lungi, cat si prin viteza mica de presare. Printr-o reglare judicioasa a presei se pot obţine productivităţi acceptabile. Utilizarea mai multor mecanisme piston-cilindru permite realizarea a tot atâtea mişcări independente, necesare mai ales la fabricarea pieselor complicate.

Presele hidraulice pot fi modificate pentru funcţionare automată, sau cu comandă manuală, asigurând productivităţi de 16-10 buc/min.

Presele mecano-hidraulice cele mai utilizate se caracte-rizează prin acţionarea hidraulică a poansonului superior şi mecanică a poansonului inferior. Prezenţa celor două moduri de acţionare asigură preselor de acest tip cumularea avantajelor fiecăreia. Utilizarea acţionării hidraulice dă posibilitatea stabilirii precise a mărimii forţei de presare şi a menţinerii ei un timp determinat.

4.3. PRESAREA IZOSTATICĂ

Presarea izostatică este o metodă de formare în care amestecul de pulberi

plasat într-o matriţă elastică este supus la presiunea unui fluid pe întreaga lui suprafaţă, astfel încât are loc o compactare uniformă a materialului în toate direcţiile cu efecte pozitive asupra repartiţiei şi valorii densităţii şi a rezistenţei mecanice; dacă fluidul este un gaz, varianta este denumită izostatică, în timp ce dacă fluidul este un lichid, operaţia este cunoscută sub numele de presare hidrostatică. Procesul fizic fiind acelaşi, termenul de izostatic se foloseşte în ambele cazuri.

La presarea izostatică la rece se utilizează două metode: - presarea în pungă umedă (figura 4.7). În acest caz, matriţa elastică umplută cu pulbere (de cele mai multe ori vidată) este plasată într-o incinta de presiune şi este eliminată după fiecare ciclu de presare. După închiderea incintei are loc presurizarea. O supapă specială asigură eliminarea aerului din incinta. După atingerea presiunii de lucru urmează o fază de menţinere pentru uniformizarea presiunii în masa de pulbere. Urmează etapa de depresurizare care se face controlat. Matriţa este apoi scoasă din incinta, manual sau mecanic şi semifabricatul presat este eliminat din matriţă.

Timpul de lucru este în funcţie de mărimea incintei şi de posibilităţile tehnice ale sistemului de presare şi poate fi cuprins între 5 şi 60 min. - presarea în pungă uscată (figura 4.8). În acest caz, matriţa elastică este plasată definitiv în incinta de presiune. Metoda este mai productivă dar nu asigură o presare total izostatică, din două motive:

Page 50: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

44

- matriţa de presare trebuie închisă la capătul de alimentare cu pulbere şi de eliminare a semifabricatului cu elemente metalice;

- existenţa în matriţă a unor poansoane metalice pentru realizarea alezajelor interioare

Presarea izostatică oferă câteva avantaje în comparaţie cu presarea în matriţă. Un prim avantaj este legat de forma şi dimensiunile semifabricatelor ce se pot obţine şi anume: - absenţa frecării dintre pulbere şi pereţii matriţei permite presarea unor repere cu pereţi subţiri, cu raport mare înălţime/diametru.

- modul de transmitere a presiunii de presare asigură realizarea unor suprafeţe profilate sau a filetelor.

Fig. 4.7 - Presarea în pungă uscată Fig.4.8 – Presarea în pungă umedă

Singura restricţie legată de dimensiunile semifabricatelor este dimen-

siunea incintei (camerei) de presare. Cele mai mari sisteme de presare au un diametru al incintei de 2 m, o înălţime de 3-4 m şi lucrează la o presiune de 400 MPa. Un al doilea avantaj este legat de omogenitatea distribuţiei densităţii pe înălţimea semifabricatului presat. Această caracteristică importantă este rezultatul absenţei frecării dintre pulbere şi pereţii matriţei şi a modului de transmitere a presiunii de presare.

Omogenitatea distribuţiei densităţii explică de ce densitatea semifabricatelor presate izostatic este mai mare decât a celor presate axial, la aceiaşi valoare a presiunii aplicate.

Rezultă totodată o rezistenţă la rupere în stare presată mai mare şi o reproductibilitate a contracţiei la sinterizare mai bună, cu efect benefic asupra creşterii stabilităţii dimensionale.

Cel de-al treilea avantaj major este legat de absenţa fazei de eliminare corespunzătoare presării în matriţă. Acest lucru este important mai ales pentru semifabricatele cu rezistenţă la rupere mică, ca de exemplu materialele ceramice. Pentru astfel de materiale, la presarea în matriţă, presiunea de lucru este limitată

Page 51: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Formarea pulberilor

45

de tensiunea de alunecare care apare în faza de eliminare, tensiune care produce ruperea semifabricatului când acesta părăseşte matriţa. Tensiunea de alunecare este proporţională cu tensiunea radială reziduală, care la rândul ei creşte cu creşterea presiunii de presare. Astfel, pentru materialele ceramice se recomandă ca presiunea de presare să nu depăşească 100 MPa la presarea axială în matriţă. Pentru presarea izostatică nu există din acest punct de vedere nici o restricţie.

Alte avantaje sunt legate de reducerea sau chiar eliminarea lubrifianţilor ca urmare a absenţei frecării dintre pulbere şi pereţii matriţei şi costul relativ scăzut al matriţelor care permite o fabricaţie economică chiar şi pentru o singură piesă.

Dezavantajele presării izostatice sunt toleranţele dimensionale şi rugozităţile mari în porţiunile formate de matriţa flexibilă şi productivitatea scăzută determinată de închiderea şi deschiderea incintei de formare ca faze ale operaţiei de presare. Presarea izostatică se poate desfăşura la rece sau la cald. Mediul de transmitere a presiunii pentru presarea la rece este apa, uleiul, glicerina, etc., iar pentru presarea la cald, gazele inerte. La presarea la rece, matriţele sunt executate din materiale elastice de tipul cauciucului iar la presarea la cald, matriţele sunt executate din tablă subţire de oţel inoxidabil.

În figura 4.9, se prezintă fazele presării izostatice ale unei piese pline. În figură: 1. capac elastic; 2. manşetă; 3. pulbere; 4. punga cilindrică elastică; 5. cilindru perforat.

În cazul presării unui tub schema de presare este cea din figura 4.10.

Fig. 4.9. Fazele presării izostatice a unei piese pline: a. punga umplută cu pulbere;

b. presarea

Fig. 4.10. Fazele presării izostatice a unei piese tubulare

Aceasta se deosebeşte de precedenta prin aceea că în centru este dispus un

miez metalic 2 ce este centrat la extremităţi prin cele două inele de material plastic 1 şi 3. După presare se scoate punga şi se îndepărtează miezul. Îndepărtarea miezului se face cu uşurinţă datorită revenirii elastice a materialului.

Page 52: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

46

4.4. PROCEDEE DE PRESARE CU ENERGII RIDICATE

În aceste procedee de presare, viteza depăşeşte 5 – 10 m/s, rezultând un timp de deformare foarte scurt. Avantajele procedeelor sunt: - realizarea unei densităţi a materialului, foarte apropiată ca valoare de cea teoretică; - realizarea unor presiuni de presare foarte mari;

- reducerea contracţiei la sinterizare datorită densităţii ridicate a ma-terialului

- posibilitatea obţinerii de materiale din pulberi stratificate, etc. În cazul vitezelor mari de presare, căldura determinată de defor-marea

particulelor, de frecările dintre particule sau dintre acestea şi pereţii matriţei, este transmisă în mică măsură matriţei şi asigură înlăturarea în proporţie mare a tensiunilor interne şi a ecruisării. Ca urmare, proprietăţile fizice şi tehnologice ale particulelor se modifică. Se remarcă creşterea limitei de curgere şi a rezistenţei la rupere.

În funcţie de tipul sursei care produce energia ridicată de deformare, se deosebesc mai multe procedee: - deformarea prin explozie; - presarea electromagnetică; - presarea electrohidraulică; - presarea pneumatico – mecanică. 4.4.1. DEFORMAREA CU EXPLOZIVI BRIZANŢI

Explozivii brizanţi permit presarea pulberilor cu energii şi viteze mari de deformare. Aceştia furnizează, la detonare, o undă de şoc caracterizată de o viteză mare de propagare, 2…8 miimi de secundă, şi o presiune înaltă (10P

3P…10P

4P

MPa). Explozivii se prezintă sub formă solidă, de pulberi sau gelatine. Dintre

explozivii cei mai utilizaţi pot fi enumeraţi, trotilul, acidul picric, tetrilul, pentrita, etc.

Există mai multe variante de aplicare a presiunii datorată detonării amestecului exploziv: presarea cu încărcarea poansonului cu exploziv; presarea prin acţiunea directă a undei de şoc provocată de detonaţie; comprimarea izostatică sub acţiunea gazelor rezultate prin arderea pulberii explozive.

Page 53: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Formarea pulberilor

47

Fig. 4.11. Schema procesului de presare cu

impulsuri magnetice

4.4.2. DEFORMAREA CU IMPULSURI MAGNETICE În principiu, metoda are la bază interacţiunea

dintre câmpurile magnetice produse de doi curenţi: unul inductor şi altul indus. Câmpul inductor este produs de o bobină. Câmpul indus apare în învelişul în care este plasată masa de pulbere. Din acţiunea de respingere a celor două câmpuri magnetice, rezultă o presiune puternică care produce compactarea pulberii.

O schemă a procesului se prezintă în figura 4.11. În interiorul matriţei 3, se plasează tubul conducător 2 şi electrodul central 1. Tubul este prevăzut la partea inferioară cu elementele de contact 6, elemente care se cuplează la generatorul de impulsuri electrice 7. Pulberea 4 umple spaţiul dintre tubul conducător şi peretele interior al matriţei. La trecerea curentului electric, ca urmare a interacţiunii câmpurilor magnetice din conductori (tub şi electrod), se produce deformarea învelişului tubului cu pereţi subţiri şi implicit presarea pulberii.

4.4.3. PRESAREA ELECTROHIDRAULICĂ La presarea electrohidraulică, descărcarea are loc în mediu lichid între doi

electrozi, între care se produce o scânteie. La apariţia scânteii, se creează o puternică undă de presiune care se

transmite spre masa de pulbere, deformând-o în cavitatea matriţei. Descărcarea între electrozii se poate face direct prin străpungerea

mediului dintre ei sau cu ajutorul unei sârme de amorsare. În figura 4.12 se prezintă schema de principiu a presării electrohidraulice.

Fig. 4.12. Schema presării electrohidraulice

Page 54: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

48

În prima etapă, condensatorul C se încarcă de la transformatorul T prin

redresorul R. În a doua etapă, la cuplarea comutatorului I, condensatorul se descarcă între cei doi electrozi (2). În lichidul din cameră se formează o undă de şoc care presează prin membrana 3, pulberea 4, din matriţa 5.

Procesul de presare se desfăşoară de la câteva zeci până la câteva sute de microsecunde. Energia de descărcare depinde de sursa utilizată şi poate fi cuprinsă între 10P

3P-10P

5P joule.

Există mai multe procedee de presare electrohidraulică în funcţie de condiţiile de descărcare, metoda de presare, forma şi dimensiunile semifabricatului.

4.5. PROCEDEE DE FORMARE FARĂ APLICAREA PRESIUNII 4.5.1. TURNAREA ÎN FORME DE IPSOS Procedeul constă din turnarea unei suspensii de pulbere metalică într-o formă cu pereţi poroşi, executată dintr-un material care absoarbe lichidul din suspensie. Particulele de pulbere din suspensie sunt antrenate de curenţii de lichid spre peretele formei absorbante, unde se depun şi se compactizează. Formarea este rezultatul deplasărilor complexe ale particulelor de pulbere sub acţiunea forţelor gravitaţionale, moleculare, de absorbţie a lichidelor în pereţii formei, electromagnetice, forţelor de tip Van der Walls şi forţelor de respingere determinate de sarcinile ionice. În funcţie de grosimea dorită a pereţilor şi de factorii tehnologici concreţi, durata formării semifabricatului durează între 1 … 60 min.

Fig. 4.13. Schema de principiu a turnării în forme de ipsos: a-formarea pieselor cu

secţiune plină; b-formarea pieselor cu gol interior

La fabricarea produselor cu secţiune plină, în partea superioară a formei se prevăd una sau mai multe maselote din care se alimentează cavitatea de lucru

a

b

Page 55: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Formarea pulberilor

49

a formei, pe măsură ce se contractă (datorită plecării spre forma de ipsos a lichidului) cantitatea de suspensie care umplea iniţial cavitatea de formare a semifabricatului (figura 4.13, a).

Dacă se cere o piesă cu gol interior, după ce se atinge grosimea necesară a pereţilor, se îndepărtează din formă surplusul de suspensie, întrerupându-se astfel îngroşarea în continuare a pereţilor (figura 4.13, b). Formele folosite sunt din mai multe bucăţi şi cavităţile de lucru reprezintă negativul formei semifabricatului, ţinând seama de contracţiile la uscare şi din timpul sinterizării. Formele sunt executate din ipsos de alabastru într-un raport egal cu apa şi uscate la 35P

0P-45P

0PC. Densitatea materialului formei este de 1,05

g/cmP

3P, cu o porozitate care permite absorbţia unei cantităţi de 0,32 cmP

3P apă într-

un volum de 1 cmP

3P material de deformare.

Suspensia este compusă din pulberi metalice cu mărimea de până la 9 μm. Faza solidă ocupă între 40…70%. Lichidul pentru punerea în suspensie poate fi apa, apa distilată, alcoolul etilic sau o serie de lichide organice. Lichidul nu trebuie să reacţioneze cu pulberea. El trebuie să aibă o mare stabilitate chimică, să-şi păstreze fluiditatea atât în prezenţa pulberii cât şi a altor aditivi. În suspensie se introduc şi aşa numiţii defloculanţii. Aceştia au rolul de a dilua consistenţa suspensiei prin desfacerea aglomerărilor dintre particule. În calitate de defloculanţi sunt utilizaţi acizii (clorhidric, acetic, etc.), bazele (NaOH, KOH, etc.), etc. După turnare, uscarea durează între 10 … 16 ore pentru a se evita deformarea semifabricatului. După uscare urmează sinterizarea. 4.5.2. SINTERIZAREA SELECTIVĂ CU LASER Sinterizarea selectivă cu laser (SSL) este o nouă tehnologie de fabricare în care piesa este reconstruită în 3D prin aplicarea unui ciclu succesiv de depunere a unui strat de pulbere şi sinterizare cu laser, strat care materializează la un moment dat secţiunea transversală a piesei. Metoda a fost aplicată pentru prima dată în 1996 şi la ora actuală este una din principalele procedee de rapid-prototyping. În figura 4.14 se prezintă schema procedeului. Amestecul de pulberi este depus sub forma unui strat de maxim 0,25 mm în cilindrul de formare. Depunerea se realizează cu ajutorul unui dispozitiv de alimentare. Pulberea este apoi topită (sinterizată) de o rază laser după forma secţiunii transversale a piesei. După sinterizare, secţiunea formată împreună cu pulberea din cilindru coboară cu o anumită distanţă, fiind antrenată în mişcare de un piston. În continuare, dispozitivul de alimentare va aduce în zona de lucru un nou strat de pulbere care va ocupa spaţiul creat prin coborârea materialului.

Page 56: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

50

Piesa este formată prin repetarea acestor faze, începând de la partea inferioară spre cea superioară. Energia laserului trebuie să fie suficient de mare pentru a realiza pe lângă topirea stratului actual şi legătura cu stratul deja format.

Piesa are o porozitate mare şi are proprietăţi mecanice scăzute, datorită în primul rând porozităţii iniţiale care este cuprinsă între 50-70%. Pentru creşterea densităţii se recomandă aplicarea unor tratamente termice secundare. Aceste tratamente termice pot fi: sinterizarea şi infiltrarea.

Laser

Oglinzi

Lentile

Pulbere nesinterizată

Piesa

Sistemul de colectare şi de alimentarecu pulbere

Rola de alimentare

Cilindrulde formare

Fig. 4.14. Schema procedeului de SSL În primul caz, piesa este tratată termic într-un cuptor obişnuit de sinterizare. Ca urmare se va produce o relaxare a tensiunilor termice dar şi o importantă contracţie de care trebuie să se ţină seama la formare. În cel de-al doilea caz, piesa este imersată într-un metal lichid care pătrunde printre porii piesei datorită forţelor capilare. Procedeul se caracterizează prin costul relativ scăzut la sculelor utilizate, dar timpul de fabricaţie variază de la câteva ore până la câteva zile, în funcţie de dimensiunile piesei.

Page 57: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Sinterizarea

51

CAPITOLUL 5

SINTERIZAREA

5.1 DEFINIREA TRATAMENTULUI DE SINTERIZARE.

În prezenţa temperaturii contactele adezive dintre particulele pulberilor

din structura semifabricatelor formate se vor transforma gradat în legături metalice. Acest fenomen se numeşte sinterizare şi este însoţit de importante modificări structurale şi ale proprietăţilor materialului. În figura 1 se prezintă diferenţa dintre microstructura unui semifabricat presat şi a unui semifabricat sinterizat.

Fig. 5.1. Amestecul Fe-Cu în stare presată (stânga) şi sinterizată (dreapta)

Din punct de vedere tehnologic sinterizarea poate fi definită ca operaţia de tratament termic aplicată semifabricatelor formate, care se desfăşoară în atmosferă controlată la o temperatură sub temperatura de topire a componentului principal din pulbere şi conduce la modificarea proprietăţilor, în special a rezistenţei mecanice. Aceste proprietăţi sunt mai mult sau mai puţin realizate în funcţie de microstructura şi de porozitatea reziduală obţinută. În timpul sinterizării pulberilor au loc şi alte procese : apariţia fazei lichide ca urmare a topirii unui component secundar; recristalizarea; reacţii chimice între componenţii amestecului de pulberi sau între gazele protectoare şi unii componenţi; alierea componenţilor. Toate aceste procese determină obţinerea caracteristicilor tehnologice şi funcţionale ale materialelor sinterizate.

Thummler defineşte din punct de vedere fizico-chimic sinterizarea astfel: “Sinterizarea este un proces de transport de masă activat termic care conduce la

Page 58: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

52

consolidarea legăturilor dintre particule şi/sau la modificarea porozităţii şi a geometriei porilor şi la reducerea energiei libere a sistemului. O fază lichidă poate apare în proces.”

Sinterizarea se poate desfăşura în prezenţa sau în absenţa presiunii, cel mai utilizat proces fiind cel fără aplicarea presiunii cu prezenţa sau absenţa fazei lichide în timpul ciclului termic.

Procesul de sinterizare în fază solidă predomină în fabricarea pieselor din construcţia de maşini.

Sinterizarea în prezenţa fazei lichide apare în general la fabricarea reperelor din metale dure sau oţeluri rapide şi la obţinerea carburilor metalice. În acest caz în timpul ciclului termic faza lichidă coexistă temporar sau total cu cea solidă. Faza lichidă apare în două situaţii distincte. O prima situaţie se întâlneşte în cazul pulberilor mixte. La temperatura de sinterizare apare faza lichidă ca urmare a topirii unui component sau a formării unui eutectic. Lichidul poate fi prezent parţial sau permanent în timpul procesului de sinterizare depinzând de proprietăţile de solubilitate ale componenţilor. Cea de-a doua situaţie se întâlneşte în cazul pulberilor prealiate încălzite la o temperatura cuprinsă între punctele lichidus şi solidus. Amestecul format dintr-o fază lichidă şi una solidă este caracteristic sinterizării cu prezenţa fazei lichide.

La sinterizarea cu prezenţa fazei lichide au loc importante modificări dimensionale. Pentru reperele sinterizate din metale dure sau oţeluri rapide corectarea dimensiunilor se poate face numai aplicând operaţii de aşchiere şi în primul rând de rectificare. 5.2. STADIILE PROCESULUI DE SINTERIZARE

Procesul sinterizării decurge în cel puţin trei stadii care se disting numai prin unele fenomene specifice, dominante. Astfel sunt:

1. Sub acţiunea tensiunilor din zonele de contact, a concentrărilor de defecte (vacanţe, dislocaţii) de reţea ş.a., se consolidează şi se extind (după o lege exponenţială) suprafeţele de contact dintre granule. Deşi contracţia este foarte mică, are loc totuşi o accentuată modificare a activităţii superficiale.

2. În acest stadiu predomină procesul de densificare şi, în paralel, de creştere a grăunţilor cristalini. Granulele de pulberi îşi pierd individualitatea, limitele grăunţilor tind din ce în ce mai mult să treacă prin pori. Când densificarea ajunge la cca 90% din cea teoretică, proporţia porilor închişi creşte rapid.

3. Densificarea scade în amploare, porii izolaţi tind să se sferoidizeze. Densificarea se opreşte pe măsură ce presiunea gazelor incluse în pori se apropie de presiunea datorată tensiunilor superficiale.

Pe parcursul acestor trei stadii are loc un important transport de material, cu precădere prin fenomene de difuzie ale cărei tipuri (de suprafaţă, la limita granulelor şi de volum) pot acţiona individual sau simultan, în totalitate sau parţial.

Page 59: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Sinterizarea

53

În primul stadiu al sinterizării, prin încălzire, creşte energia cinetică şi mobilitatea atomilor, determinând migrarea acestora spre zonele de contact unde, prin ocuparea vacanţelor, vor ocupa poziţii de echilibru mai stabil. De asemenea, atomii de pe proeminenţele suprafeţei granulelor se deplasează în adânciturile microneregularităţilor acesteia. Se produce, astfel, prin difuzie superficială (I) o netezire a suprafeţei granulelor şi porilor, precum şi închiderea fisurilor şi golurilor de suprafaţă dintre granule (figura 5.2).

Fig. 5.2. Mecanismele transportului de material în zona de contact a granulelor

Concomitent începe şi difuzia la limita de separaţie a grăunţilor cristalini

(3), în special a celor cu reţeaua cristalină distrusă, adică a celor de pe suprafeţe de contact dintre granule, deformaţi în urma presării (figura 5.2, c). La temperaturi mai ridicate devine predominantă difuzia în volum (2), care are loc prin deplasarea atomilor în interiorul grăunţilor cristalini (figura 5.2, b).

Cu creşterea temperaturii se intensifică şi apariţia unor noi germeni de recristalizare, în zonele puternic ecruisate prin deformare, aşadar începe recristalizarea şi apoi creşterea treptată a grăunţilor cristalini nou formaţi. Zonele de contact nou formate între granulele pulberilor-numite gâturi sau punţi intergranulare, vor avea grăunţi cristalini comuni celor două granule originare, realizând îmbinarea lor.

La sinterizare mai are însă loc şi o reducere a rezistenţei la deformare a grăunţilor cristalini ai granulelor pulberii, conducând la o curgere plastică, vâscoasă a materialului.Tensiunii superficiale σt a materialului granulelor i se opune o rezistenţă diminuată a grăunţilor cristalini distruşi din zonele de contact relativ mici (figura 5.2, c).Valoarea acestei tensiuni superficiale, depăşind tensiunea critică de fluaj σc la temperatura respectivă, determină deplasări ale planelor de alunecare, deci un transport de materie prin curgere vâscoasă, total deosebit de cel produs prin difuzie, şi în consecinţă îngroşarea punţilor intergranulare.

O

O’

(I)

(I)

P1

(II) P2

P1

a

O

O’

(I’)

(I’)

(II’)

b

2

2

O

O’

c

3

x σc

σc

σt

Page 60: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

54

În timpul sinterizării poate să apară, datorită tensiunii de vapori, diferite între zonele I (convexe) şi II (concave) (figura 5.2, a), şi un alt tip de transport de materie, prin fază gazoasă, cauzat de evaporări parţiale urmate de condensări şi depuneri în zona punţilor intergranulare (în formare între granule), prin care razele x a acestor punţi cresc din ce în ce mai mult, obţinându-se scheletul metalic în întreaga masă a corpului sinterizat. Astfel, granulele de pulbere ale presatului îşi pierd din ce în ce mai mult individualitatea, dispar suprafeţele de contact/separaţie dintre ele şi apare matricea metalică continuă. Porozitatea se reduce continuu, porii sferoidizându-se şi închizându-se din ce în ce mai accentuat. Creşte proporţia celor mari pe seama dispariţiei treptate a porilor mici, ceea ce, prin modificarea volumului, conduce la densificare.

Efectele cumulate ale variaţiei densităţii în stare presată şi ale procesului de sinterizare pot fi urmărite pe baza parametrului de densificare φ. Acesta este dat de relaţia: φ = (ρs-ρp)/(ρt-ρp) (5.1) unde: ρs este densitatea în stare sinterizată; ρp- densitatea în stare formată; ρt- densitatea teoretică a pulberii.

Pe de altă parte, contracţia este dependentă şi de densitatea în stare formată. Astfel densitatea în stare sinterizată poate fi calculată în funcţie de contracţie şi de densitatea în stare formată. Relaţia de calcul este următoarea: ρs = ρp /( 1- ΔL/L0)3 (5.2)

Când în cursul sinterizării se depăşeşte temperatura de topire a unui component sau a unei faze deja formate, are loc sinterizarea cu apariţia fazei lichide. În acest caz, mecanismul transportului de material este puternic activat de capacitatea de umectare a fazei lichide, legată direct de tensiunea superficială a ei şi de procesul de dizolvare-precipitare a fazei solide, accentuându-se contracţia. Umectarea favorizează realizarea unei reţele continue şi uniforme în jurul granulelor componentului solid.

Prin sinterizare volumul presatului se poate micşora, conducând – în funcţie şi de posibile pierderi în greutate – la contracţie (cazul sistemelor monocomponent, al celor în care faza lichidă are rol predominant de liant), sau el se poate mări, rezultând umflare (cazul sistemelor, în general cu solubilitate reciprocă nelimitată, la care difuzia prezintă efectul Kirkendall, la acelea în care faza lichidă difuzează foarte rapid în cea solidă, în care procesul de evaporare-condensare este intens. Aceste efecte pot coexista, rezultanta lor producând modificarea volumului.

Page 61: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Sinterizarea

55

5.3. TEHNOLOGIA TRATAMENTULUI DE SINTERIZARE

5.3.1. PARAMETRI TRATAMENTULUI DE SINTERIZARE

Temperatura de sinterizare. Capacitatea de sinterizare este, în foarte mare măsură dependentă de temperatura de sinterizare.

Odată cu mărirea temperaturii, creşte puternic viteza de sinterizare a pulberilor, exprimată ca atare sau sub forma contracţiilor, ori sub forma densificării produsă prin sinterizare. Efectul dominant, favorabil, al temperaturii asupra sinterizabilităţii este pus în evidenţă şi de creşterea rezistenţei mecanice a pieselor sinterizate. În tabelul 5.1 se prezintă temperaturile de sinterizare pentru câteva din cele mai uzuale pulberi şi amestecuri de pulberi. Tabelul 5.1. Temperaturi de sinterizare pentru câteva din cele mai uzuale pulberi şi amestecuri de pulberi

Material Temperatura

Material Temperatura

Aliaje de aluminiu 590 – 6200C

Fier - crom 1200 - 12800C

Bronz 740 – 7800C Fier – mangan - cupru 11200C

890 – 9100C Fier – crom - cupru 1200 – 12800C Alamă

860 – 9300C Fier – carbură de crom >12800C

Fier 1120 – 12800C Fier – carbură de vanadiu >12800C

Fier – cupru 1120 – 12800C Fier – carbură de wolfram >12800C

Fier – cupru - nichel 1120 – 12800C

Fier – mangan – crom – molibden - carbon >12800C

Fier – carbon 11200C Fier – mangan – vanadiu – molibden - carbon >12800C

Fier – cupru - carbon

11200C Oţel inoxidabil – 316 L (fier – crom – nichel) 1200 – 12800C

Fier – cupru – nichel - carbon

11200C Oţel inoxidabil – 430 L (fier – crom) 1200 – 12800C

Fier – cupru – nichel - molibden

1120 - 12000C Aliaje de wolfram 1400 – 15000C

Fier - mangan 12800C Metale grele 1200 – 14000C

Durata de sinterizare influenţează în mai mică măsură intensitatea procesului de sinterizare. Deşi, în principiu, gradul de densificare la sinterizare creşte cu creşterea duratei, acest efect este redus în comparaţie cu influenţa temperaturii de sinterizare. Pentru a obţine efectul produs de o creştere a temperaturii de

Page 62: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

56

sinterizare cu 50 ... 60oC sunt necesari timpi de sinterizare de zeci sau chiar sute de ore.

Cele mai mari creşteri ale densităţii se produc în etapa timpurie a sinterizării, după care efectul duratei de sinterizare scade sensibil. Această observaţie este şi mai accentuată în cazul sinterizării cu faza lichidă.

5.3.2. MEDII PROTECTOARE

În timpul sinterizării, de obicei, datorită temperaturii ridicate, materialele metalice se oxidează în prezenţa aerului sau a altui mediu care conţine oxigen. În aceleaşi condiţii de temperatură, majoritatea oxizilor metalici sunt reductibili. De aceea, mediile protectoare ale operaţiei de sinterizare se prescriu în majoritatea cazurilor fie reducătoare, fie neutre.

În general, mediile protectoare provoacă reacţii chimice care însoţesc sinterizarea şi care influenţează compoziţia chimică, structura şi proprietăţile fizice ale produselor sinterizate. În consecinţă, alegerea mediului protector, a debitului şi a purităţii sale chimice face parte din regimul tehnologic de sinterizare individualizat pentru fiecare categorie de produse.

Sinterizarea fără mediu protector este un caz cu totul excepţional, limitându-se la materialele insensibile faţă de oxigen sau la acelea la care un anumit grad de oxidare nu le este dăunător.

Sinterizarea prin încălzire cu curenţi de înaltă frecvenţă necesită, de obicei, câteva secunde, astfel, încât la anumite materiale, se poate renunţa la mediul protector. Sinterizarea produselor presate din pulberi de aluminiu nu necesită mediu protector. La sinterizarea materialelor pe baza de carbura de wolfram, ca mediu protector se foloseşte praful de cărbune. Piesele presate dintr-un amestec de pulberi de fier şi grafit, cu procentaje foarte bogate în grafit, se pot de asemenea sinteriza împachetate în praf de cărbune.

Cele mai utilizate medii protectoare sunt cele gazoase (se pot aplica în flux continuu).

Cantitativ, efectul mediului protector asupra produselor sinterizate diferă în funcţie de gradul lor de porozitate. La corpurile lipsite de porozitate deschisă, ca de exemplu cele pe baza de WC-Co, efectele mediului protector se limitează la adâncimi de câţiva microni. În schimb, la corpurile cu porozitate mai mare de 10%, acţiunea mediului protector influenţează practic întreaga structura.

Legat de atmosfera de protecţie, câteva observaţii sunt importante pentru tehnologia sinterizării şi anume:

- Trebuie cunoscută cantitatea de oxigen existentă sub formă de oxizi în pulberile utilizate. În funcţie de aceasta cantitate, se vor putea limita fenomenele nedorite de oxidare şi de decarburare în timpul sinterizării. De exemplu, utilizând o pulbere de fier cu 0,6% oxigen în greutate (impuritate considerata în general ca admisibilă) şi încărcând cuptorul de sinterizare cu 40 kg/h, se introduc în cuptor 240 g oxigen pe oră, care cu hidrogenul din mediul protector

Page 63: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Sinterizarea

57

pot produce 270 g apa; o evaluare similară se poate face şi în ipoteza combinării acestui oxigen cu carbonul liber sau legat, existent în masa pieselor.

- Gazele de protecţie trebuie să fie cât mai sărace în bioxid de carbon, în oxigen şi în vapori de apă.

- Gazul metan carburează fierul. - Hidrogenul şi amoniacul disociat, fără să fie ideale, oferă cele mai

convenabile condiţii tehnologice pentru o sinterizare corectă, deoarece se pot fabrica la un grad înalt de puritate şi au un efect reducător.

- Gazele compuse din CO, H2, CO2 în diferite proporţii, realizate din arderea parţială a hidrocarburilor sau prin alte metode cunoscute, pot fi şi ele utilizate ca medii protectoare la sinterizare, în condiţiile respectării riguroase a proporţiei şi a debitului, în funcţie de temperatura şi compoziţia încărcăturii din cuptor. 5.4. DEFINIREA CONCEPTULUI DE SINTERIZABILITATE. INDICI DE APRECIERE

Sinterizabilitatea caracterizează comportarea pulberilor sau a sistemelor de pulberi metalice la operaţia de tratament termic de sinterizare.

Comportarea la sinterizare a pulberilor presate, respectiv densificarea şi rezistenţa mecanică după sinterizare este influenţată simultan de un foarte mare număr de factori. Dintre aceştia, cei legaţi de proprietăţile iniţiale ale pulberii şi ale presatelor definesc condiţia de sinterizabilitate, iar cei legaţi de temperatură, de parametrii sinterizării în general şi de raporturile reciproce ale componenţilor din sistem definesc capacitatea de sinterizare.

5.4.1 INFLUENŢA PROPRIETĂŢILOR INIŢIALE ALE PULBERII

Mărimea granulelor în general, cu cât pulberile iniţiale au o granulaţie

mai fină, aşadar o suprafaţă specifică mai mare, cu atât mai ridicată va fi sinterizabilitatea lor. De asemenea, vor fi mai multe contacte (punţi) interparticule, implicit mai multe căi pentru difuzia de volum. O dimensiune mică a particulelor pulberii poate însemna o dimensiune mică a grăunţilor cristalini, ceea ce favorizează transportul de material la sinterizare, prin difuzia la limita grăunţilor cristalini. În acelaşi timp, suprafaţa specifică mărită a pulberilor fine înseamnă mai multe căi pentru transportul de material prin difuzie superficială.

Forma şi configuraţia suprafeţei granulelor. Energia liberă superficială a granulelor în procesul de sinterizare determină sinterizabilitatea pulberilor. O energie superficială mai mare, deci sinterizabilitate mărită, au pulberile cu granule de formă neregulată, cât mai îndepărtată de cea sferică, cu o micro şi macro rugozitate mărită a suprafeţelor. La formarea la cald, influenţa sesizabilă asupra sinterizabilităţii pulberii o are însă şi factorul de frecare dintre granule.

Page 64: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

58

Cu cât aceasta are valori mai mari, indicând frecări mai mari între granule şi implicit forme mai neregulate şi rugozităţi mai mari ale suprafeţelor, sinterizabilitatea pulberii creşte.

Structura cristalină şi ecruisarea. O structură fină a grăunţilor cristalini ai granulelor de pulbere favorizează sinterizabilitatea, ca urmare a efectului ei favorabil asupra mecanismelor de transport de material. Prezenţa unui număr mai mare decât cel normal de imperfecţiuni ale reţelei cristaline, ca dizlocaţii, de regulă consecinţă a deformării plastice, favorizează sinterizabilitatea, datorită faptului că astfel de defecte intensifică procesele de difuzie. Se confirmă astfel efectul favorabil al ecruisării (“activării mecanice”) asupra sinterizabilităţii pulberii.

Porozitatea internă a particulelor poate favoriza sinterizabilitatea pulberii, atât prin suprafaţa specifică mai mare cât şi datorită însăşi acestei porozităţi, cel mai frecvent foarte fină sursă a unor tensiuni mai mari în corpul supus sinterizării, care conduc la creşterea punţilor, rotunjirea şi micşorarea porilor. Porii fini pot să inhibe deplasarea limitelor grăunţilor cristalini, implicit creşterea lor, favorizând astfel transportul de material prin difuzia de-a lungul limitelor grăunţilor. Acesta poate fi, de asemenea, favorizat de prezenţa fazelor disperse din interiorul particulelor.

5.4.2. INFLUENŢA PROPRIETĂŢILOR PRESATELOR

Densitatea presatelor. O densitate mai mică a presatului înseamnă o mai extinsă suprafaţă interioară, mărind forţele motrice ale procesului de sinterizare. Din acest motiv, atât viteza de sinterizare cât şi densificarea cresc cu cât densitatea în stare presată – depinzând evident de presiunea de compactizare -, este mai mică.

În orice moment al sinterizării, viteza de sinterizare ca şi creşterea procentuală a densităţii, este cu atât mai mare cu cât este mai mică densitatea de presare. Desigur, valoarea absolută a densităţii după sinterizare va fi cea mai mare pentru presatele cu densitate mau mare. Rezultă că un grad avansat de densificare după presare nu este o cerinţă obligatorie pentru o bună sinterizabilitate. Cu toate acestea, alte efecte ale sinterizării precum “legarea” granulelor respectiv creşterea rezistenţei mecanice a sinterizatelor, are loc la un nivel superior cu cât densitatea presatelor este mai mare. De asemenea, odată cu mărirea densităţii presatului, prin sinterizare se intensifică şi procesul de aliere, iar creşterea grăunţilor cristalini este de aşteptat să fie mai accentuată.

Lubrifianţii de presare. Este cunoscută influenţa favorabilă a lubrifianţilor în procesele de compactizare a pulberilor metalice, indicată fiind însă eliminarea lor înaintea sinterizării, dacă acest lucru este posibil.

Page 65: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Sinterizarea

59

5.4.3. INFLUENŢA PARAMETRILOR SINTERIZĂRII Influenţele temperaturii de sinterizare, a duratei de sinterizare şi a mediul

protector asupra sinterizabilităţii au fost discutate în capitolul anterior. 5.5. UTILAJE DE SINTERIZARE

Cuptorul tubular cu trecere continua (figura 5.3 şi 5.4) este cea mai

răspândită instalaţie de sinterizare. Realizând o temperatură de regim de 1250°C, serveşte la sinterizarea produselor de mare serie pe baza de fier, cupru si aliajele lor. Camera de sinterizare poate fi construită din oţel înalt refractar sau din material ceramic. Elementele de încălzire pot fi din molibden, montate în interiorul spaţiului de sinterizare, sau din bare de silită, montate în afară.

Fig. 5.3. Cuptor de sinterizare (Abbott Furnance Company, SUA)

Încărcătura se deplasează prin tunelul cuptorului. Transportul încărcăturii

prin tunel se realizează fie în nacele metalice, fie pe o plasa din sârma de oţel termorefractar, deplasabilă. În ambele variante, vitezele de avans sunt reglabile de la mecanismul de antrenare amplasat la capătul tunelului. Cuptorul este prevăzut cu semnalizatoare optice şi acustice pentru indicarea momentelor de alimentare şi de descărcare a nacelelor, sau pentru indicarea deranjamentelor în ceea ce priveşte temperatura, presiunea sau avansul încărcăturii.

Atmosfera de protecţie circulă în sens invers cu sensul încărcăturii. Zona de răcire este căptuşită cu o cămaşă continua de tabla sudată prin care circula apa. Un cuptor de dimensiuni mijlocii are o putere de 20-50 kw, pentru o secţiune transversală a tubului de sinterizare de 200×90 mm şi o productivitate de 20-60 kg/h. Productivitatea se majorează la aceeaşi secţiune transversală, prin

Page 66: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

60

prelungirea zonei cu temperatura maximă şi majorarea corespunzătoare a vitezei de avans.

Fig. 5.4. Cuptor de sinterizare cu trecere continuă: 1-elemente de încălzire; 2-uşa

de alimentare; 3-termocuplu; 4-stuţ pentru gaze de protecţie; 5-elemente de încălzire; 6-uşă intermediară; 7-robinet; 8-instalaţie pentru controlul automat al temperaturii apei de răcire; 9-evacuarea apei; 10-banda metalică;

11-introducerea apei de răcire

Cuptorul camera este de tipul obişnuit în unităţile de tratamente termice. Dacă trebuie să funcţioneze cu atmosfera de protecţie, este necesară o cameră etanşă. El serveşte la sinterizarea unor loturi mai mici de piese. Are productivitate scăzută deoarece vatra are o suprafaţa relativ redusă cu temperatura egală. Utilizarea întregului volum util al camerei nu este indicată, deoarece prin suprapunere, piesele se încălzesc neuniform şi se deformează sub greutatea proprie.

Cuptorul clopot se construieşte în diferite variante. Ceea ce îl caracterizează este posibilitatea cupolei de a se ridica şi de a coborî deasupra vetrei pe care se afla materialul sinterizat. Elementele de rezistenţă se afla montate in interiorul cupolei. Acest tip de cuptor poate permite şi aplicarea unei presiuni asupra materialului, astfel încât sinterizarea poate avea loc sub presiune. Se utilizează mai ales la sinterizarea discurilor de fricţiune, elaborate din pulberi aplicate pe plăci de oţel.

Cuptorul cu vid se distinge de celelalte tipuri prin construcţia sa adecvată realizării şi menţinerii vidului. Din aceasta cauza, cuptoarele moderne cu vid sunt construite într-un singur agregat care cuprinde pompa, camera de sinterizare şi instalaţia de încălzire.

Rezistenţele electrice se introduc în camera de sinterizare, putându-se realiza temperaturi de până la 2400°C, în funcţie de natura rezistenţelor.

Page 67: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Procedee de formare a pulberilor pentru obţinerea pieselor de densitate ridicată

61

CAPITOLUL 6

PROCEDEE DE FORMARE A PULBERILOR PENTRU OBŢINEREA PIESELOR CU DENSITATE RIDICATĂ

6.1. PRESAREA LA CALD A PULBERILOR

Procedeul tehnologic de presare la cald a pulberilor este similar cu cel de presare axială în matriţă, dar necesită ca, atât pulberea cât şi matriţa, să fie încălzite la o temperatură cuprinsă între 100 şi 1500C.

Acest interval de temperatură a fost ales din două motive: - la temperaturi mai mici de 1000C, efectul acesteia este neglijabil,

fenomenele ce însoţesc presarea fiind identice ca la presarea la rece; - la temperaturi mai mari de 1500C, creşte pericolul oxidării particu-lelor,

cu toate că, există şi un aspect pozitiv al depăşirii acestei temperaturi, şi anume favorizarea procesului de ardere a lubrifianţilor din masa de pulbere.

Procedeul asigură obţinerea unor densităţi ale semifabricatelor de peste 99% din densitatea teoretică a amestecurilor de pulberi folosite.

6.1.1. PARTICULARITĂŢI CONSTRUCTIVE

ALE ECHIPAMENTULUI DE PRESARE

Aşa cum s-a precizat, atât pulberea cât şi sistemele care participă activ la realizarea semifabricatelor: alimentatorul (dozatorul) şi elementele active, trebuie încălzite şi menţinute la temperatura de lucru. Astfel pentru încălzirea pulberii se utilizează trei sisteme:

- sistemul de încălzire convenţional. Acest sistem foloseşte elemente de încălzire cu ulei. Pulberea este încălzită separat în buncărul de alimentare cu care este dotată presa şi curge liber în dozatorul pentru alimentarea matriţei;

- sistemul de încălzire cu melc. Pulberea este încălzită prin contact cu un melc, la rândul lui încălzit, care face şi alimentarea matriţei. În acest ultim caz, în masa de pulbere apar tensiuni suplimentare de alunecare;

- sistemul de încălzire cu strat fluidizat. Pulberea este încălzită prin intermediul unui curent de aer încălzit.

Page 68: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

62

Dintre cele trei sisteme, cel mai utilizat este cel convenţional. În figura 6.1 se prezintă schema generală a sistemului de încălzire convenţional al pulberii, utilizată pentru presarea la cald.

Fig. 6.1. Schema unui sistem de încălzire convenţional al pulberii: 1-buncăr; 2- schimbător de căldură; 3-tub alimentare; 4-conducta de alimentare cu ulei;

5-senzorul de nivel al pulberii; 6-conducta de retur; 7-panou de control; 8-rezervorul de ulei încălzit

Pentru presarea la cald, temperatura de încălzire a pulberii se recomandă să

fie de 1300C. La o cantitate de 25...30 kg. de pulbere, durata de încălzire poate fi cuprinsă între 1...1,5 ore.

Încălzirea uleiului se face în rezervorul 8, prin intermediul unor rezistenţe electrice. Uleiul încălzit este trimis prin intermediul unei pompe hidraulice către schimbătorul de căldură şi încălzeşte pulberea.

Conul buncărului de alimentare este încălzit de un număr de patru elemente de încălzire poziţionate pe pereţii exteriori ai conului. Nivelul pulberii în con este controlat de un senzor pneumatic, astfel încât să se producă o curgere uniformă a materialului pulverulent.

Pentru ca pulberea să-şi menţină temperatura, este nevoie de încălzirea alimentatorului.

Controlul temperaturii pulberii din dozator se face utilizând termo-cuple. Pentru prevenirea pierderilor de căldură, se foloseşte cauciucul siliconic, aplicat pe suprafeţele alimentatorului.

În timpul alimentării pulberea trebuie în mod obligatoriu să fie protejată de contactul direct cu sursa de încălzire.

6

1

2

3

4

8

5

7

Page 69: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Procedee de formare a pulberilor pentru obţinerea pieselor de densitate ridicată

63

Încălzirea şi totodată, răcirea elementelor active sunt esenţiale pentru tehnologia de presare la cald.

Încălzirea trebuie să asigure o distribuţie uniformă şi simetrică a temperaturii în elementele active, în aşa fel, încât, să fie respectate jocurile şi toleranţele dintre acestea.

Există două procedee de încălzire a elementelor active. Primul procedeu presupune încălzirea întregului bloc adaptor, urmată de izolarea acestuia faţă de zonele de legătură cu presa. Cel de-al doilea sistem, presupune încălzirea numai a zonelor care vin în contact direct cu pulberea (figura 6.2).

Fig. 6.2. Schema sistemelor de încălzire şi răcire a matriţelor de presare: 1-cartuş

pentru încălzirea poansonului; 2-cartuş pentru încălzirea matriţei; 3-material de rezistenţă; 4-izolaţie; 5-element de răcire; 6-pernă izolantă; 7-element de răcire;

8-izolaţie

Prin utilizarea unor elemente de răcire adecvate, se asigură, în elementele active, menţinerea temperaturii necesare procesului.

Dintre cele două procedee, cel de-al doilea este cel mai folosit, datorită consumului redus de energie.

Energia, şi de aici numărul de elemente de încălzire, depinde de materialul sculelor, materialul şi geometria semifabricatului, dar şi de schimburile termice dintre elementele componente ale sistemul şi de tipul răcirii (apă, ulei, etc.).

O problemă importantă este şi amplasarea elementelor de încălzire. Acestea trebuie montate cât mai aproape de zona activă a matriţei, fără ca ele să influenţeze fretajul plăcii active.

Page 70: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

64

6.1.2. PUTEREA NECESARĂ PENTRU ÎNCĂLZIRE

Pentru a se asigura puterea necesară operaţiei, trebuie avute în vedere două

lucruri: modul de realizare a temperaturii de lucru, plecând de la temperatura camerei şi modul de menţinere a temperaturii, pentru realizarea presării. Puterea necesară procesului se calculează pe baza relaţiilor:

a. Puterea necesară încălzirii, de la temperatura ambiantă la temperatura de lucru, se determină cu relaţia:

sPt

TCmP λΔ= (6.1)

unde: m este masa de pulbere; Cp – capacitatea de încălzire; Δt – temperatura; t – timpul; λs – factor de siguranţă; P – puterea. Factorul de siguranţă ţine cont de pierderile de energie care apar.

b. Pentru calculul puterii necesare menţinerii la temperatura de lucru, trebuie avute în vedere fenomenele de radiaţie, convecţie şi conducţie (figura 6.3) care însoţesc procesul.

Fig. 6.3. Fenomenele termice caracteristice procesului de presare a pulberilor la cald

Cele trei puteri, caracteristice celor trei fenomene, sunt date de relaţiile:

( )42

41Rad TTAP −= σε (6.2)

( )21Conv TThAP −= (6.3)

Page 71: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Procedee de formare a pulberilor pentru obţinerea pieselor de densitate ridicată

65

Tx

kAPCond ΔΔ

= (6.4)

în care: PRad, PConv, PCond sunt puterile pierdute prin radiaţie, convecţie respectiv conducţie; A – aria unde se produce schimbul termic; k – coductivitatea termică a materialului; x – distanţa de transfer termic; ε - emisivitatea termică a suprafeţei radiante; σ - constanta lui Stefan-Boltzman; h – coeficientul de transfer termic dintre mediul exterior şi suprafaţa materialului.

La echilibru, suma celor trei componente va trebui să asigure fluxul continuu de transfer termic, astfel:

P = Prad + Pconv + Pcond (6.5) Din relaţiile (6.2…6.4), rezultă că suprafeţele de separaţie din construcţia matriţelor de presare, joacă un rol important în schimbul termic. Cu cât matriţa este mai compactă, cu atât pierderile de energie sunt mai mici.

În realitate, matriţele sunt construite din diferite materiale şi au diferite forme geometrice. Ca urmare, estimarea pierderilor de căldură este foarte dificil de realizat teoretic.

Pentru calculul pierderilor de căldură, la temperatura de menţinere de 1500C, temperatură utilizată în mod obişnuit la presarea la cald, se pot folosi următoarele relaţii simplificate:

( ) kW250,2x

A10015045x

ATx

kAPCond ΔΔΔ

Δ=−== (6.6)

PRad = 2 A kW (6.7) PConv(suprafata superioră) = 1 A KW (6.8)

PConv(suprafata inferioară) = 0,5 A KW (6.9)

PConv(suprafata laterală) = 1,2 A KW (6.10)

Page 72: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

66

6.2. INJECTAREA PULBERILOR METALICE 6.2.1. DEFINIREA TEHNOLOGIEI DE INJECTARE

A PULBERILOR METALICE

Injectarea pulberilor metalice este una dintre tehnologiile noi de fabricaţie modernă şi competitivă, aplicată în vederea obţinerii pieselor de dimensiuni mici, forme complicate şi de precizie ridicată. Prin acest procedeu se pot obţine piese din aproape toate tipurile de materiale pulverulente, incluzând metale, compuşi intermetalici, ceramică. Ca domenii de utilizare, piesele formate prin injecţie intră în competiţie cu cele realizate prin turnare de precizie, forjare, matriţare, prelucrare mecanică. Aplicaţiile cunoscute până în prezent, ale acestui procedeu, cuprind: piese din componenţa utilajelor pentru industria uşoară şi alimentară, piese pentru automobile, scule, piese de uzură, componente pentru echipamente din industria electrotehnică, piese din superaliaje şi aliaje grele pentru industria aeronautică, echipamente pentru birotică, pentru tehnica militară şi medicală. Schema procesului de injectare este prezentată în figura 6.4.

Conform schemei, pulberile metalice sunt amestecate cu un liant. După amestecare, materialul este granulat şi apoi este injectat cu ajutorul unei maşini de injecţie rezultând semifabricatul piesei ce urmează a fi realizată. După injectare se face eliminarea liantului şi apoi sinterizarea, obţinându-se piesa cu proprietăţile şi forma proiectată.

Iniţial au fost aplicate două procedee principale de formare prin injecţie, şi anume:

- procedeul Rivers, brevetat în 1979, bazat pe utilizarea unui şlam format din pulbere metalică,

Fig. 6.4. Schema procesului de injectare a pulberilor metalice

Page 73: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Procedee de formare a pulberilor pentru obţinerea pieselor de densitate ridicată

67

metilceluloză şi apă; - procedeul Wiech, brevetat între anii 1980...1983, bazat pe utilizarea unui amestec termoplastic format din pulbere metalică, polimeri organici şi ceruri.

Cele două procedee menţionate se deosebesc prin comportarea plastică a amestecurilor formate din pulbere şi lianţi, funcţie de temperatură, astfel: - amestecul utilizat la procedeul Rivers prezintă caracteristici plastice la temperatura ambiantă; formarea prin injecţie, respectiv umplerea cavităţii matriţei de formare, se realizează “la rece” iar solidificarea materialului are loc “la cald”, prin scăderea solubilităţii metilcelulozei în apă; - amestecul termoplastic utilizat la procedeul Wiech prezintă proprietăţi plastice la cald, iar solidificarea materialului se realizează la contactul cu peretele rece al matriţei de oţel.

6.2.2. CARACTERIZAREA AMESTECURILOR DE PULBERI UTILIZATE LA INJECTARE

A. Tipuri de pulberi de bază utilizate.

Teoretic, orice metal poate fi adus sub formă de pulbere metalică, ce poate fi apoi utilizată în procesul de injecţie. Aluminiul reprezintă, însă, o excepţie deoarece filmul de oxid aderent, prezent la suprafaţa particulelor, inhibă sinterizarea. Lista metalelor utilizate pentru fabricarea pulberilor pentru injectare include: oţeluri slab şi înalt aliate, oţeluri inoxidabile, superaliaje, aliaje magnetice şi carburi.

Pulberea ideală pentru injectare trebuie să aibă următoarele proprietăţi [2]:

Tabelul 6.1. Proprietăţi ale unei pulberi ideale pentru injectare, [2]. Mărimea particulelor între 0,5 ... 20 μm cu un diametru echivalent mediu între 4 ... 8 μm Distribuţia particulelor foarte extinsă între 2 ... 8 Densitatea în stare tasată peste 50% din cea teoretică Fară aglomerări ale particulelor Forma particulelor apropiată de cea sferică, cu raport al dimensiunilor puţin peste unitate, tipic 1,2 Unghiul de frecare peste 550 Particulele nu trebuie să conţină goluri Suprafaţa particulelor trebuie să fie curată Capacitate de segregare scăzută Să nu prezinte pericol de explozie sau să fie toxică

Caracteristicile prezentate în tabelul de mai sus sunt rezultatul unui

echilibru între câţiva factori legaţi de proprietăţile reologice, modificările dimensionale specifice fazei de delubrifiere şi de sinterizare, comportarea la injectare, etc. De multe ori, toate aceste proprietăţi nu pot fi respectate simultan, de exemplu pentru injectare se recomandă ca pulberile să aibă o formă sferică, în

Page 74: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

68

timp ce faza de delubrifiere impune pulberi de formă neregulată, pentru a se reduce distorsiunile semifabricatului.

B. Lianţii

Liantul este factorul principal în asigurarea injecţiei materialului. El este un

material compus care are rolul de a asigura formarea şi forma semifabricatului, până la începutul procesului de sinterizare. Compoziţia acestuia şi modul lui de eliminare din material sunt elementele care diferenţiază metodele de injectare. Liantul este compus dintr-un material de bază cu rol de a asigura rezistenţa semifabricatului şi a uşura umplerea matriţei de injecţie şi un agent activ de suprafaţă cu rol în legarea pulberii cu liantul de bază şi de a acţiona ca un lubrifiant la injectare.

La ora actuală se folosesc cinci categorii principale de lianţi de bază: compuşi termoplastici (polietilena, polipropilena, parafina, polistirenul, acetatul de polivinil, etc.), compuşi termorigizi (fenoli, poliuretan, etc.), sisteme bazate pe apă (săpun cu apă), sisteme gelatinoase şi materiale inorganice (compuşi metalici ionici).

Agenţii activi de suprafaţă au rolul de a micşora vâscozitatea amestecului de pulberi. Ca agenţi activi de suprafaţă se pot folosi: stearatul de litiu, acidul stearic, stearatul de zinc, poliacrilatul de amoniu, uleiul de peşte, monogliceride etc.

Compoziţiile lianţilor utilizaţi depind, în general, de fabricantul de piese. Totuşi, cei mai folosiţi lianţi au la bază parafina sau polimerii sintetici. În lianţi se pot adăuga şi alte substanţe pentru a le modifica proprietăţile.

Condiţiile pe care trebuie să le îndeplinească aceşti lianţi se prezintă în continuare:

- între liant şi pulberea metalică nu trebuie să apară reacţii chimice. - vâscozitatea pe care liantul trebuie să o asigure la temperatura de injecţie

trebuie să conducă la o curgere lină a compoziţiei în matriţă, fără nici o segregare, iar vâscozitatea trebuie să fie constantă în domeniul de temperatură cu care se lucrează.

- la temperatura de injecţie liantul este lichid şi în aceste condiţii, trebuie să înconjoare particulele cât mai bine, pentru a asigura omogenitatea amestecului.

- liantul nu trebuie să se deterioreze în timpul procesului având în vedere considerente economice.

- trebuie să poată fi extras uşor din piesă.

6.2.3. TEHNOLOGIA INJECTĂRII PULBERILOR METALICE

6.2.3.1. AMESTECAREA

Pentru amestecare sunt utilizate amestecătoare în formă de “Z” sau planetare. Obiectivul principal al operaţiei este de a asigura ca întreaga suprafaţă

Page 75: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Procedee de formare a pulberilor pentru obţinerea pieselor de densitate ridicată

69

a particulei să fie acoperită cu liant. În practica industrială, cantitatea de liant folosită la amestecare este cuprinsă între 0,5 ÷ 0,7 din volumul total de material.

După amestecare compoziţia este granulată. 6.2.3.2. INJECTAREA

Injectarea constă, în general, în încălzirea amestecului la o temperatură

suficient de mare, astfel încât amestecul să devină fluid, împingerea acestuia în cavitatea unei matriţe unde se răceşte şi ia forma cavităţii respective.

În timpul injecţiei, temperatura şi presiunea sunt modificate pentru a se asigura umplerea corectă. Acest lucru este necesar, deoarece de-a lungul traseului de injectare amestecul devine, la contactul cu matriţa care este mai rece, mai vâscos. Pentru compesarea pierderilor de căldură se aplică două metode şi anume: injectarea foarte rapidă sau încălzirea matriţei.

Parametrii de injectare depind de proprietăţile pulberii, compoziţia liantului, vâscozitatea amestecului, construcţia matriţei şi caracteristicile maşinii de injecţie. De exemplu: timpul de injecţie poate fi cuprins între 5...60 sec., de obicei 20 sec.; viteza de injecţie poate fi în jurul valorii de 1,5 cm3/s; presiunea poate să depăşească 60 MPa; temperatura poate ajunge până la 2000C. Pentru răcirea amestecurilor care conţin lianţi pe bază de apă, temperatura de injecţie se recomadă să fie sub – 600C.

Un ciclu complet de injectare este prezentat în figura 6.5.

Fig. 6.5. Ciclul de injectare a pulberilor metalice

Conform acestei figuri, procesul de formare prin injecţie a amestecurilor plastifiate cuprinde cinci etape principale, şi anume:

- Etapa de dozare. La începutul procesului de injecţie se stabileşte viteza de rotaţie a melcului şi presiunea de injectare din cilindru, în condiţiile în care matriţa este închisă şi aruncătorii sunt retraşi. Duza maşinii este adusă în contact cu duza de injectare a matriţei. Când în faţa cilindrului maşinii, în zona duzei, este adus suficient material, melcul se opreşte din rotaţie şi este acţionat în faţă pentru a împinge materialul în matriţă.

Page 76: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

70

- Etapa de umplere a cavităţii matriţei de formare, începe în momentul în care pistonul sau melcul maşinii de injecţie “împinge” amestecul plastifiat, aflat în stare fluidă, prin duza de formare, pâlnia de formare, canalele de distribuţie, până la cavitatea de formare. Între viteza de umplere şi presiunea aplicată amestecului există relaţia:

KPQη

= (6.11)

unde: η este vâscozitatea amestecului şi K este rezistenţa la injectare.

Rezistenţa la injectare depinde de tipul şi mărimea canalelor de curgere. Pentru un canal rectangular de înalţime H, lungime L şi lăţime w, rezistenţa la injectare este dată de relaţia:

3HwLK = (6.12)

Pentru un canal de diametru d şi lungime L, rezistenţa la injectare este dată

de relaţia:

4dL128K

π= (6.13)

Geometriile mai complexe ale canalelor pot fi divizate în elemente simple

calculându-se pentru fiecare rezistenţa la injectare. Din însumarea lor rezultă rezistenţa totală.

- Etapa de comprimare este etapa când presiunea în cavitatea matriţei atinge valoarea maximă. Materialul din cavitatea matriţei se comprimă şi începe să se solidifice.

- Etapa de compensare începe când pistonul sau melcul maşinii continuă să împingă amestecul în cavitatea matriţei, pentru a compensa contracţia volumică datorată solidificării materialului în cavitatea matriţei de formare. În acest moment se opreşte aplicarea presiunii. Presiunea în cavitatea matriţei scade brusc pentru că deja materialul, aflat în zona digului, s-a solidificat.

Materialul introdus în cavitatea matriţei se răceşte la contactul cu pereţii matriţei. Viteza de răcire q, depinde de proprietăţile termice ale amestecului. Viteza de răcire q este dată de relaţia:

dxdTAq Ω= (6.14)

unde: Ω este conductivitatea termică; A – aria secţiunii transversale; dT/dx – gradientul de temperatură.

Page 77: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Procedee de formare a pulberilor pentru obţinerea pieselor de densitate ridicată

71

Timpul pentru solidificarea amestecului în matriţă variază cu rădăcina pătrată din grosimea piesei. Ca urmare, piesele cu pereţi groşi necesită un timp mare de injecţie, în timp ce piesele cu pereţi foarte subţiri, se injectează greu, datorită răcirii rapide şi a curgerii neuniforme în zonele înguste.

Regimul de curgere al amestecului în timpul formării prin injecţie este anizoterm şi există posibilitatea solidificării materialului în straturi în cavitatea matriţei de formare sau solidificarea acestuia înainte ca întreaga cavitate să fie umplută, situaţii care conduc la apariţia defectelor în piesele formate. - Eliminarea piesei. Pentru eliminare, există un domeniu al temperaturilor şi presiunilor la care matriţa poate să fie deschisă fără distorsionare, lipire sau formare de goluri (figura 6.6). Linia superioară corespunde condiţiei de densitate constantă şi ea trece prin punctul dat de intersecţia dintre presiunea maximă de deschidere cu temperatura amestecului în faza de umplere. Linia inferioară corespunde condiţiei de densitate constantă şi ea trece prin punctul dat de intersecţia presiunii minime de deschidere cu temperatura matriţei. Dacă matriţa este deschisă la temperaturi sau presiuni mai mari decât cele care depăşesc punctul din diagramă, atunci se va produce lipirea materialului de matriţă sau distorsionarea semifabricatului. Dacă matriţa este deschisă la presiuni mai mici, sub valoarea corespunzătoare punctului din diagramă, atunci vor apare goluri în semifabricat, ca urmare a contracţiei.

Fig. 6.6. Schema relaţiei temperatură-presiune la deschiderea matriţei de injecţie

Din schiţă se observă existenţa unei zone optime (zona haşurată) unde eliminarea poate avea loc fără probleme.

6.2.3.3. DELUBRIFIEREA

Este operaţia ce necesită cel mai riguros control. Scopul operaţiei este de a elimina liantul în timpul cel mai scurt şi cu cel mai mic impact asupra

Page 78: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

72

semifabricatului. După eliminarea liantului, semifabricatul este fragil şi trebuie să-şi păstreze forma.

În figura 6.7 se prezintă schiţa procesului de delubrifiere. Procesul de delubrifiere începe cu o fază de deschidere a canalelor pentru

curgerea liantului, urmată de o fază finală de ardere a liantului rezidual din structura semifabricatului.

Liant

Particule

VaporiSuprafaţa

Pori deschişi

Fig. 6.8. Schiţa unui model al procesului de delubrifiere

Începutul procesului de deschidere a canalelor duce la apariţia porilor. Mărimea porilor este variabilă şi porii devin interconectaţi, dând naştere la reţele sinuoase prin care liantul este eliminat din structură.

Iniţial, porii sunt umpluţi cu liant, aşa numita stare de saturare a porilor. În timpul delubrifierii, structura poroasă devine parţial saturată datorită eliminării liantului.

Conform [2] pot exista două tipuri de structuri parţiale: structuri funiculare şi pendulare (figura 6.8).

Lichid Vapor Solid

Structură saturată

Structură funiculară

Structură pendulară

Fig. 6.8. Schiţa diverselor etape de delubrifiere

Structura pendulară este cea mai importantă, deoarece asigură contactul

dintre particule.

Page 79: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Procedee de formare a pulberilor pentru obţinerea pieselor de densitate ridicată

73

Structura funiculară apare la începutul procesului de delubrifiere. Ea este compusă din lichid sau o fază de vapori şi pori intercalaţi. Pe măsură ce liantul este eliminat, rămân zone izolate de liant, ca legături pendulare între particule.

Trecerea de la starea funiculară la cea pendulară se face atunci când gradul de umplere al porilor este sub 0,2. Dacă liantul se găseşte în stare pendulară, el poate fi eliminat numai prin ardere şi evaporare.

Există mai multe procedee de eliminare a liantului. Câteva, vor fi prezentate în continuare: - Încălzirea semifabricatului injectat (delubrifierea termică). Încălzirea trebuie făcută cu foarte mare atenţie pentru a se elimina pericolul ruperii legăturilor din structura injectată şi de aceea, utilizarea lianţilor ce au în structură elemente ce se descompun sau se evaporă la diferite temperaturi este avantajoasă. Procesul normal durează multe ore, fiind proporţional cu grosimea secţiunii. Prin încălzire, liantul se topeşte şi curge prin pori spre suprafaţa semifabricatului. Ca o alternativă, liantul poate fi eliminat în stare de vapori, fie la presiunea atmosferică prin penetrarea porilor, fie în vid prin difuzia prin pori. Un ciclu de sinterizare clasic, pentru cazul în care liantul este ceara, implică încălzirea lentă în aer la o temperatură cuprinsă între 100 ... 2000C. Pentru deschiderea porilor trebuie eliminat aproximativ 40% din masa de liant. Procesul de eliminare durează aproximativ 60 ore. Cea de-a doua etapă implică încălzirea la o temperatură de presinterizare în atmosferă neutră sau reducătoare, pentru a se descompune termic şi restul liantului. În cazul utilizării lianţilor termoplastici, un ciclu cuprinde încălzirea cu viteza de 50C/min, până la 2500C. Aproximativ 50% din cantitatea de liant este eliminată în acestă fază. Restul liantului este eliminat prin încălzire cu o viteză de 100C/min la 450 ... 5000C. Schiţa unui echipament pentru delubrifiere se prezintă în figura 6.9.

6.9. Schema unei instalaţii pentru delubrifiere termică

Echipamentul cuprinde o incintă în care se introduc semifabricatele şi în care se găsesc plasate elementele de încălzire. O serie de traductoare permit

Page 80: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

74

monitorizarea temperaturii, presiunii, compoziţiei atmosferei şi timpului de lucru. - Dizolvarea liantului cu solvenţi. În cazul utilizării lianţilor pe bază de ulei-polimer, un ciclu cuprinde încălzirea între 50 ... 700C timp de aprox. 24 ore. Restul liantului este eliminat prin încălzire în atmosferă de azot sau hidrogen la temperatura de 5500C. În cazul utilizării lianţilor pe bază de polipropilenă şi ulei vegetal sau polietilenă şi ulei vegetal, delubrifierea constă în imersarea semifabricatelor în solvenţi de tipul heptanului, tricloretan, etc. Pentru un semifabricat de aproximativ 10 mm grosime, delubrifierea durează maxim 6 ore, la temepraturi între 40 ... 600C. Urmează, apoi, încălzirea pentru eliminarea completă a liantului. De remarcat că, în acest caz, procesul duce la dilatarea semifabricatelor. O instalaţie pentru dizolvarea liantului cu solvenţi se prezintă în figura 6.10. Instalaţia asigură o temperatură de lucru pentru delubrifiere cuprinsă între 40 ... 800C. Semifabricatele sunt plasate într-o incintă şi sunt imersate într-un solvent fierbinte sau sunt supuse acţiunii unor vapori. - Utilizarea temperaturilor scăzute în cazul amestecării pulberilor cu lianţi de tipul celulozei. În acest caz, în timpul eliminării liantului, rezistenţa piesei scade foarte mult şi de aceea trebuie multă atenţie în mânuirea pieselor.

6.10. Schema unei instalaţii pentru delubrifiere cu solvenţi 6.2.3.4. SINTERIZAREA

Sinterizarea se desfăşoară în atmosferă controlată, la temperatura de topire

a metalului principal din pulbere. Compoziţia exactă a atmosferei depinde de de material. Pentru multe materiale, o atmosferă de hidrogen este suficientă. În cazul oţelurilor la care carbonul este un element esenţial, atmosfera trebuie să conţină un compus al carbonului, pentru ca acesta să fie în echilibru cu cel conţinut în material.

Parametrii de sinterizare şi utilajele folosite sunt aceleaşi ca la sinterizarea pieselor obişnuite. Deoarece piesa care urmează a fi sinterizară este deosebit de

Page 81: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Procedee de formare a pulberilor pentru obţinerea pieselor de densitate ridicată

75

poroasă, prin sinterizare se produce o contracţie puternică şi în acest fel temperatura de sinterizare trebuie controlată foarte bine pentru a păstra forma piesei. Timpul de sinterizare este mai mic datorită fineţei pulberii. Piesa finală are densitatea apropiată de densitatea teoretică a amestecului, în general mai mare de 97%. Ca urmare, proprietăţile mecanice ale piesei finale sunt foarte apropiate de cele ale piesei dense, de aceeaşi compoziţie.

6.2.4. PROIECTAREA FORMEI PIESELOR INJECTATE DIN PULBERI

Avantajul major al procesului de injectare al pulberilor metalice este acela

al obţinerii unor piese de dimensiuni mici, de forme complexe şi de densitate ridicată, în condiţii de productivitate.

În tabelul 6.2. se prezintă caracteristicile generale ale pieselor injectate din pulberi. Aşa cum rezultă din tabel, gama dimensională posibil de fabricat este largă, totuşi se remarcă că este de preferat domeniul dimensiunilor relativ mici. Pentru piesele injectate din pulberi, grosimea pereţilor este mică. Ea poate fi mai mică cu 10% decât cea mai mare dimensiune. Uniformitatea grosimii pereţilor este important de avut în vedere, pentru a se evita tensiunile interne, distorsionările, apariţia golurilor şi a ruperilor.

Tabelul 6.2. Caracteristicile generale ale pieselor injectate din pulberi

Caracteristica Minimă Maximă Obişnuită Grosimea, mm 0,2 25 10

Lungimea maximă, mm 2 1000 100

Tolerenţa, % 0,03 2,0 0,3 Masa, g 0,02 20000 40 Material unic compozit aliaje Costul, $ 0,20 400,0 2,0

Producţia pe an 200 20 000 000 150 000 Câteva din formele tehnologice şi netehnologice specifice pieselor realizate

prin injectarea pulberilor se prezintă în tabelul 6.3 În cazurile (a), (b), (c) şi (f) din tabelul 6.3, formele netehnologice au fost

reproiectate pentru obţinerea uniformităţii grosimii la piesele injectate. În cazul (d) zona colţului a fost înlocuită cu o zonă racordată. În cazul (e) semifabricatul injectat este prevăzut cu o cavitate pentru a uniformiza grosimea peretelui.

6.2.5. MAŞINI PENTRU INJECTAREA PULBERILOR METALICE

Maşinile utilizate pentru injectarea pulberilor metalice sunt asemănătoare

cu cele folosite în industria maselor plastice. În timpul injecţiei trebuie controlată temperatura din camera de presiune (cuibul) matriţei.

Page 82: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

76

Funcţie de presiunea maximă de lucru, maşinile de injecţie se clasifică în: - maşini de injecţie de joasă presiune (max. 10 Pa) - utilizate în special pentru materiale ceramice;

Tabelul 6.3. Forme tehnologice şi netehnologice specifice pieselor injectate din pulberi

Forme tehnologice Forme netehnologice

a.

b.

c.

d.

e.

f.

- maşini de injecţie de înaltă presiune (max. 100 MPa) - utilizate pentru procesarea amestecurilor plastifiate pe bază de pulberi de carburi metalice.

Temperatura de formare se stabileşte în funcţie de caracteristicile reologice ale amestecului plastifiat şi de complexitatea formei produsului ce se doreşte a se obţine, fiind cuprinsă între 70 şi 160ºC. Durata ciclului de formare prin injecţie durează între 2 şi 20s.

Maşinile de injectare pot fi cu melc, hidraulice sau pneumatice. Maşinile pneumatice şi hidraulice sunt utilizate pentru realizarea pieselor

de forme simple sau în cazul în care viteza de injectare este mică. La injectarea pulberilor, cele mai utilizate utilaje sunt maşinile cu melc.

Axa melcului este orizontală şi acesta este situat în interiorul unui cilindru încălzit.

6.3. FORJAREA PIESELOR SINTERIZATE

Forjarea pieselor sinterizate este una din metodele de fabricaţie care conduce la o porozitate minimă, chiar egală cu zero. Datorită densităţii mari, piesele sinterizate forjate sunt folosite, în principal, în industria automobilului,

Page 83: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Procedee de formare a pulberilor pentru obţinerea pieselor de densitate ridicată

77

unde pot înlocui cu succes piesele de acelaşi tip, fabricate prin turnarea sau forjarea materialelor dense.

Forjarea pieselor sinterizate are loc la cald. În timpul deformării, materialul poate să curgă sau nu lateral în matriţă. Trebuie precizat că indiferent de modul de curgere, în poziţia finală de presare materialul este complet închis în matriţă, încât piesa rezultă fără bavuri. O comparaţie a schemelor de forjare se prezintă în figura 6.11.

La forjarea convenţională, pentru ca piesa să rezulte corespunzător, trebuie ca matriţa să fie prevăzută cu canale de curgere (figura 6.11, b). Ca urmare, la final piesa va prezenta bavuri care trebuie să fie eliminate. La presarea pulberilor (figura 6.11, a) şi la forjarea pieselor sinterizate (figura 6.11, b) nu mai este nevoie de aceste canale, deoarece presarea se face în matriţă închisă.

Fig. 6.11. Procedee de presare volumică

La forjarea pulberii cu deplasarea laterală a materialului, starea de tensiuni

din jurul porilor este o combinaţie dintre tensiunile normale şi cele tangenţiale. Un por sferic devine turtit şi alungit în direcţia curgerii materialului (figura 6.12).

Fig. 6.12. Schema deformării la forjarea cu deplasarea

laterală a materialului

Page 84: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

78

Deformarea, datorită tensiunilor tangenţiale distruge peliculele de oxizi reziduali dintre particule. Acest lucru îmbunătăţeşte proprietăţile la solicitările dinamice, cum ar fi rezilienţa şi rezistenţa la oboseală.

La forjarea pulberii fără deplasarea laterală a materialului, diferenţele dintre tensiunile normale şi cele tangenţiale sunt minime, ceea ce duce la o deplasare foarte mică a materialului în direcţie laterală (figura 6.13). Pe măsura desfăşurării procesului de presare, starea de tensiuni devine hidrostatică. În acest caz, pentru a se atinge acelaşi nivel de densificare ca în situaţia precedentă, trebuie aplicată o forţă de presare mult mai mare.

Fig. 6.13. Schema deformării la forjarea fără deplasarea laterală a materialului

Tendinţa de distrugere a peliculei de oxizi reziduali dintre particule este

mai mică şi ca urmare, rezilienţa şi rezistenţa la oboseală sunt mai mici. 6.3.1. MATERIALE PENTRU FORJAREA PULBERILOR

La forjarea pulberilor, forma, distribuţia particulelor, densitatea aparentă,

proprietăţile de curgere şi compoziţia sunt parametri importanţi care afectează calitatea piesei.

Pulberile necesare realizării semifabricatelor presate trebuie să aibă o formă neregulată şi o dimensiune medie a particulelor de aproximativ 75 μm.

Pentru semifabricatele presate destinate forjării se pot folosi atât pulberi prealiate cât şi amestecuri de pulberi. Se recomandă utilizarea cu precădere a pulberilor prealiate, pentru că acestea duc, în final, la obţinerea celor mai bune proprietăţi mecanice şi dinamice.

Datorită dispariţiei porozităţii, puritatea pulberilor, natura şi forma impurităţilor sunt alte elemente importante care trebuie avute în vedere.

Materialul utilizat la obţinerea pieselor sinterizate forjate este compus din pulberi de fier la care se adaugă o serie de elemente de aliere. Ca elemente de aliere se pot folosi Mn, Cr, Mo şi Ni. Primele trei materiale îmbunătăţesc călibilitatea în timp ce Ni, nu. Din punct de vedere al costului, Ni şi Mo, în

Page 85: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Procedee de formare a pulberilor pentru obţinerea pieselor de densitate ridicată

79

comparaţie cu Mn şi Cr, sunt mai scumpe. Având în vedere că pulberile de Cr şi Mn sunt puternic susceptibile la oxidare, se preferă utilizarea pulberilor de Ni şi Mo, cu Mn prezent în cantităţi mici.

În tabelul de mai jos se prezintă, după standardul american, proporţia de elemente de aliere în compoziţia unor pulberi pentru forjare:

Tabelul 6.4. Proporţia unor elemente de aliere în compoziţia unor pulberi pentru forjare

Compoziţia, % Aliajul Mn Mo Ni

P/F - 4600 0,10-0,25 1,75-1,90 0,50-0,60 P/F - 2000 0,25-0,35 0,40-0,50 0,55-0,65 P/F - 1000 0,10-0,25 ... ....

Pentru forjare, alături de pulberile de fier (cu 0,1...0,25% Mn), se pot folosi

adaosuri de Cu şi/sau grafit.

6.3.2. TEHNOLOGIA FORJĂRII Pentru obţinerea unei piese forjate din pulberi trebuie parcurse în principal următoarele etape: presarea pulberii, sinterizarea şi forjarea propiu-zisă.

6.3.2.1. PRESAREA PULBERII

Semifabricatele pentru forjare se obţin prin presare în matriţă sau presare izostatică.

Un parametru principal de control al operaţiei de presare este distribuţia greutăţii. Orice material în exces într-o anumită regiune poate conduce la solicitarea suplimentară a sculelor de presare şi la distrugerea acestora. De asemenea, materialul în exces poate conduce la o curgere suplimentară a pulberii în matriţă la forjare şi la apariţia, în final, a ruperilor şi fisurilor în piesă.

Forma semifabricatului presat este în strânsă legătură cu dimensiunile piesei forjate, respectiv cu dimensiunile matriţei, tipul presei şi cu parametrii procesului. Astfel, pentru piesa din figura 6.14 se pot concepe 4 scheme de forjare (figura 6.15).

Fig. 6.14. Piesă obţinută prin forjarea pulberii

Page 86: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

80

În cazurile 2 şi 4 din figura 6.15, deformarea laterală a semifabri-catului va duce la apariţia ruperilor. Pentru evitarea acestui fenomen se pot utiliza schemele 1 şi 3. Schema 3 este similară cu extrudarea şi duce la apariţia ruperii la nivelul suprafeţei superioare a semifabricatului. Prin asigurarea unui joc între miez şi semifabricat se poate elimina acest neajuns.

Alegerea unui semifabricat de tipul celui prezentat în schema 1, duce la realizarea prin forjare a unor piese corespunzătoare. În acest caz, diametrul exterior al semifabricatului coincide cu diametrul interior al matriţei, iar între diametrul semifabricatului şi miez există o diferenţă notabilă.

1.

3. 4.

2.

Fig. 6.15. Scheme de deformare la forjarea piesei din figura 6.14 6.3.2.2. SINTERIZAREA Semifabricatele presate pot fi: forjate după sinterizare; sinterizate,

reîncălzite şi forjate; sinterizate după forjare. Tratamentul de sinterizare se desfăşoară controlat în funcţie de natura

materialului piesei. Pentru piesele executate din pulberi pe bază de fier, tratamentul are loc la o temperatură de 11200C, timp de 20 ... 30 min.

Prin sinterizare se urmăreşte: înlăturarea lubrifianţilor, reducerea oxizilor, difuzia carbonului, dezvoltarea legăturilor cristaline dintre particule şi densificarea finală. Reducerea oxizilor şi difuzia carbonului sunt cele mai importante etape ale tratamentului de sinterizare.

Alegerea cuptorului de sinterizare depinde de: material, mărimea şi numărul pieselor, temperatura de forjare (dacă forjarea are loc concomitent cu sinterizarea), atmosfera de sinterizare, timp, gradul de automatizare etc.

Page 87: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Procedee de formare a pulberilor pentru obţinerea pieselor de densitate ridicată

81

6.3.2.3. FORJAREA Forjarea se aplică semifabricatelor sinterizate, imediat după ce ele au fost

eliminate din cuptor, la presiuni cuprinse între 690 ... 965 MPa. În alegerea utilajului de forjare sunt esenţiali câţiva parametri şi anume: timpul de impact, mărimea cursei, viteza, puterea, rigiditatea şi precizia.

În tabelul 6.5. se prezintă etapele de forjare a unei piese din pulberi şi variaţia în timp a densităţii în funcţie de presiunea aplicată, în două zone importante ale semifabricatului.

Tabelul 6.5. Etapele forjării unei piese din pulberi

ρ1

ρ2

ρ1 6,56 6,76 6,98 7,15 7,42 ρ2 6,48 6,62 6,69 6,69 6,91 P 0 25 75 104 155

ρ1

ρ2

ρ1 7,60 7,74 7,85 7,87 7,87 ρ2 7,10 7,32 7,50 7,71 7,79 P 190 370 450 670 1000

ρ1, ρ2 – densităţile în zonele considerate; P – presiunea de presare în MPa La proiectarea matriţelor de forjare trebuie avuţi în vedere următorii

parametri: temperatura semifabricatului, temperatura matriţei, presiunea de presare, deformaţia elastică a matriţei, deformaţia elasto-plastică a semifabricatului, temperatura piesei după eliminare, deformaţia elasto-plastică a piesei forjate după eliminare, contracţia piesei după răcire, uzura elementelor matriţei.

La specificarea toleranţelor dimensionale ale pieselor forjate trebuie luaţi în considerare toţi parametrii enumeraţi mai sus. În cazul în care proiectarea şi execuţia unei matriţe de forjare a fost finalizată fără a se ţine cont de o parte din parametrii de mai sus, există câteva posibilităţi de rezolvare a problemelor apărute în fabricaţie. Astfel, folosirea unei temperaturi ridicate la eliminare duce la creşterea contracţiei la răcire a piesei. Creşterea temperaturii matriţei duce la creşterea dimensiunilor acesteia şi astfel, dimensiunile pieselor se vor mări. Ca urmare, dacă piesele sunt subdimensionate, pentru un set dat de condiţii de forjare, pentru compensare poate fi folosită o temperatură scăzută de încălzire şi

Page 88: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

82

o temperatură înaltă a matriţei de forjare. Dacă piesele sunt supradimensionate, soluţia de compensare este o temperatură de încălzire ridicată şi o temperatură scăzută a matriţei de forjare.

Un exemplu de piesă forjată din pulberi se prezintă în figura 6.16.

Fig. 6.16. Bielă forjată din pulberi Tehnologia de presare şi de forjare a bielei, din figura precedentă, se

prezintă în figura 6.17.

1. 2. 3.

4. 6.

5.

Fig. 6.17. Etapele forjării unei biele sinterizate: 1-alimentare cu pulbere; 2-presare;

3-eliminarea din matriţa de presare; 4-alimentarea matriţei de forjare; 5-forjare; 6-eliminarea din matriţă

Se poate preciza că, în prezent, la obţinerea acestui reper se folosesc două

soluţii care duc la creşterea productivităţii şi a calităţii produsului: - separea inelelului mare al bielei se face prin deformare plastică,

asigurându-se perfecta asamblare a ochiurilor inelului. Pentru aceasta, la presarea pulberii se prevede, la nivelul diametrului interior al inelului, o mică degajare interioară (figura 6.18, a) care se va dezvolta la sinterizare (figura 6.18, b) şi va constitui focarul de rupere la deformare (figura 6.18, c).

Page 89: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Procedee de formare a pulberilor pentru obţinerea pieselor de densitate ridicată

83

- în zona inelului se pot utiliza două pulberi din materiale diferite, cu afinitate unul faţă de celălalt, unul la exterior cu rol de lubrifiere (cupru şi grafit), iar celălalt cu rol de rezistenţă (fier şi carbon). Prin presare, sinterizare şi forjare va rezulta o piesă cu proprietăţi superioare.

După forjare, pieselor li se pot aplica operaţii secundare, atât de prelucrare mecanică cât şi de tratament termic.

Fig. 6. 18. Dezvoltarea fisurii pentru separarea inelelor prin deformare

6.4. PRESAREA IZOSTATICĂ LA CALD

Presarea izostatică la cald este un procedeu de formare la temperatură

ridicată a semifabricatelor din pulberi (peste 0,5 din temperatura de topire a componentului principal) sub acţiunea unei presiuni înalte, care acţionează simultan şi egal asupra tuturor suprafeţelor reperului.

Presarea izostatică la cald duce la obţinerea unor repere dense, lipsite de porozitate şi ca urmare, proprietăţile mecanice ale acestora sunt net superioare atât pieselor sinterizate, obţinute prin alte procedee, cât şi pieselor din materiale obişnuite.

La presarea izostatică la cald, presiunea aplicată materialului devine eficientă dacă ea nu afectează porozitatea deschisă a semifabricatului. Rezultă de aici 3 metode de aplicare a presării izostatice la cald:

- presarea semifabricatelor prin plasarea acestora într-o matriţă deformabilă;

- eliminarea porozitaţii deschise prin aplicarea mai întâi a unei sinterizări pentru închiderea porilor, urmată de aplicarea presiunii gazului pentru închiderea porilor;

- combinarea sinterizării pentru închiderea porilor cu presarea izostatică la cald, într-un proces continuu.

În continuare va fi abordată prima metodă de presare izostatică, aceasta fiind şi cea mai utilizată.

Presarea se desfăşoară prin plasarea semifabricatului într-o matriţă deformabilă care este apoi etanşată (figura 6.19).

Matriţa este introdusă în cuptorul din incinta de presare. Cuptorul este înconjurat de un număr de elemente de încălzire, de obicei din molibden. În incintă se introduce gaz inert (argon sau heliu) sub presiune, care poate ajunge

Page 90: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

84

până la 400 MPa, în funcţie de aplicaţie. Odată cu creşterea presiunii creşte şi temperatura care poate fi cuprinsă între 510 ... 19800C, în funcţie de material. În general, la alegerea temperaturii trebuie să se realizeze condiţiile difuziei în stare solidă a particulelor, fără apariţia pe cât posibil, a fazei lichide.

Fig. 6.19. Schema matriţei de presare izostatică la cald

În tabelul 6.6 se prezintă valorile parametrilor procesului de presare izostatică, aplicată materialelor din pulberi, care sunt procesate prin această metodă.

Tabelul 6.6. Presiuni şi temperaturi recomandate la presarea izostatică la cald

Material Temperatura, 0C Presiunea, MPa Procesul Aliaje de Al 450 - 530 100 În matriţă Aliaje de Ti 850 - 950 100 - Oţeluri de scule 1000 - 1100 100 - 150 - Oţeluri inoxidabile - - - Aliaje de Ni 1100 - 1200 100 - 150 - Mo, Nb, W 1250 - 1650 100 - 150 - Al2O3 1300 - 1500 100 - Si3N4 1750 100 - 200 - Wc-Co 1350 6 - 10 Fără matriţă Si3N4 1750 - 2000 10 - 150 -

Sistemele de control asigură monitorizarea computerizată a procesului,

înclusiv a densităţii materialului.

6.4.1. ECHIPAMENTUL PENTRU PRESARE IZOSTATICĂ LA CALD Un sistem de presare izostatică la cald se compune dintr-o serie de

echipamente principale şi anume: incinta de presiune, cuptorul, instalaţia de gaz, instalaţia de vid, instalaţia electrică (figura 6.20).

Page 91: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Procedee de formare a pulberilor pentru obţinerea pieselor de densitate ridicată

85

Incinta de presiune conţine cuptorul de temperatură înaltă şi matriţa de presare (figura 6.21). Diametrul incintei poate varia între 27 mm până la 1524 mm. Ea este răcită la exterior prin circulaţia unui curent de apă.

La partea inferioară incinta prezintă o serie de sisteme de etanşare care permit introducerea gazului în cuptor, introducerea unor traductoare de măsurare a temperaturii şi presiunii, cuplarea instalaţiei de vidare etc.

Fig. 6.20. Sistem de presare izostatică

Fig. 6.21. Schema echipamentului de presare izostatică la cald

La partea superioară, incinta este închisă cu un capac care asigură etanşeitatea incintei. Capacul poate fi acţionat manual sau hidraulic cu un echipament special. Încărcarea axială, datorată presiunii, se transmite prin capac la corpul incintei, solicitând-o cu tensiuni axiale care se suprapun peste cele tangenţiale şi radiale. În mod obişnuit, incintele sunt monobloc dar pot fi folosite şi soluţii asamblate care reduc mai ales tensiunile radiale.

Page 92: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

86

Matriţa trebuie să fie proiectată pentru a fi deformabilă la temperatura şi presiunea de lucru şi fără a reacţiona chimic cu semifabricatul. Pentru presarea majorităţii semifabricatelor din pulberi se folosesc matriţe din tablă subţire de oţel carbon, oţel inox şi titan. Matriţele din oţel sunt folosite până la 14000C, iar cele de titan între 14000C şi 16500C. Pentru temperaturi mai ridicate se folosesc materialele ceramice sau din sticlă.

Cuptorul asigură încălzirea semifabricatelor fie prin radiaţie, fie prin convecţie. Cuptorul prezintă ca elemente de încălzire rezistenţe electrice din grafit, molibden, wolfram, aliaje Ni/Cr etc. Ţinând cont de modurile de încălzire enumerate mai sus, cuptoarele pot fi clasificate astfel:

- cuptoare de radiaţie. În aceste cuptoare elementele de încălzire înconjoară semifabricatul (figura 6.22, a).

Semifabricatul poate fi încălzit în două moduri, în funcţie de temperatura iniţială a matriţei: rece sau caldă. În cazul utilizării matriţelor reci, încălzirea semifabricatului se face odată cu matriţa, de la temperatura camerei la temperatura de lucru. În cel de-al doilea caz, matriţa şi semifabricatul sunt încălzite în prealabil şi apoi sunt introduse în cuptorul aflat la temperatura de lucru.

Fig. 6.22. Tipuri de cuptoare utilizate la presarea izostatică la cald

Viteza de încălzire/răcire şi uniformitatea temperaturii depind de materialul rezistenţelor electrice şi de caracteristicile semifabricatului. - cuptoare cu convecţie naturală (figura 6.22, b). La aceste cuptoare, rezistenţele electrice încălzesc gazul dens, care prin convecţie transmite căldura la semifabricat. Pentru a crea circulaţia gazului se foloseşte un tub de convecţie. Circulaţia gazului continuă până ce temperatura se uniformizează în tot spaţiul de lucru. - cuptoare cu convecţie forţată (figura 6.22, c). Aceste tipuri de cuptoare sunt similare cu cele precedente, dar circulaţia gazelor este îmbunătăţită prin folosirea unor ventilatoare. Efectul benefic imediat este creşterea vitezei de încălzire.

Page 93: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Operaţii secundare aplicate pieselor sinterizate

87

CAPITOLUL 7

OPERAŢII SECUNDARE APLICATE PIESELOR SINTERIZATE

Pentru îmbunătăţirea proprietăţilor mecanice, tehnologice şi funcţionale ale pieselor sinterizate, acestora li se pot aplica o serie de operaţii secundare. Operaţiile secundare cuprind: prelucrări mecanice: de deformare, de aşchiere, de asamblare; tratamente termice; tratamente de suprafaţă.

7.1. PRELUCRĂRI MECANICE DE DEFORMARE

Prelucrările mecanice de deformare se aplică în scopul îmbunătăţirii calităţii suprafeţei şi a preciziei dimensionale a pieselor sinterizate. Totodată se poate produce şi o creştere a densităţii pieselor.

Prelucrările de deformare pot include: represarea, calibrarea sau aplicarea ambelor procedee.

Represarea se aplică în primul rând în scopul măririi densităţii pieselor sinterizate. Creşterea poate să fie de până la 20% din valoarea iniţială a densităţii. Totodată se îmbunătăţesc o serie de proprietăţi cum ar fi: rezistenţa mecanică, duritatea, şi creşte precizia dimensională.

Forţele de deformare sunt asemănătoare ca mărime cu cele utilizate la presare.

Represarea mai poate fi folosită pentru modificarea formei piesei sau pentru a obţine anumite reliefuri pe suprafeţe.

În figura 7.1 se prezintă variaţia presiunii de presare în funcţie de densitate, pentru două tipuri de pulberi obţinute prin reducere (NC 100.24) şi pulverizare (ASC 100.29). Se observă că

Fig. 7.1. Variaţia densităţii în funcţie de presiune pentru două

tipuri de pulberi

Page 94: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

88

pentru ambele pulberi, depăşirea valorii de 6 g/cm3 a densităţii presupune utilizarea unei presiunii ridicate de presare. Astfel obţinerea unei densităţii de 7,25 g/cm3, necesită o presiune de 800 MPa. Aceeaşi densitate poate fi obţinută şi atunci când se face o presare a pulberii la 490 MPa, urmată de o presinterizare timp de 30 min. la 850oC şi represare la 490 Mpa.

Diferenţa dintre cele două valori ale presiunii este evidentă. Valoarea ridicată a presiunii duce fie la uzură, fie la ruperea elementelor active, deoarece ele lucrează la limita domeniului elastic al materialului din care sunt fabricate.

Represarea este utilizată şi la semifabricatele din unele pulberi aliate, când pentru a se prevenii difuzia prematură a elementelor în amestec, este necesară aplicarea unei presinterizări. Presinterizarea conduce totodată la o uşoară recoacere a pulberii din semifabricatul presat şi la creşterea adeziunii dintre particule de pulbere, permiţând desfăşurarea represării în condiţii de siguranţă. După represare urmează sinterizarea finală.

Gradul de presare este influenţat de duritatea şi plasticitatea pulberii, de efectul sinterizării asupra densificării, de structura metalografică, forma piesei şi mărimea forţei aplicate.

Calibrarea este utilizată pentru creşterea preciziei dimensionale, înlăturând orice abatere dimensională. Mărimea deformării plastice în acest caz este mică şi ca urmarea creşterea valorii densităţii nu depăşeşte 5%.

Calibrarea şi represarea urmăresc atât îmbunătăţirea preciziei dimensionale cât şi creşterea densităţii piesei sinterizate. Datorită puternicei deformări plastice, materialul se ecruisează şi ca urmare rezistenţa mecanică şi duritatea cresc în timp ce alungirea scade. Această îmbunătăţire a proprietăţilor mecanice asigură utilizarea pieselor sinterizate în condiţii severe de funcţionare.

Represarea şi calibrarea se execută fie pe presele destinate presării pulberilor metalice fie pe presele mecanice simple. Foarte adesea calibrarea şi represarea se combină într-o singură operaţie. Calibrarea simplă este utilizată mai ales la finisarea bucşelor autolubrifiante.

În funcţie de modificările dimensionale perpendiculare pe direcţia de presare, deformarea plastică poate fi: pozitivă, în cazul în care secţiunea transversală se măreşte până la dimensiunile dorite şi negativă, în cazul în care ea este micşorată. De multe ori, în cazul aceleaşi piese, putem întâlni deformări pozitive, mai ales pentru conturul exterior şi deformări negative, la finisarea alezajelor.

În figura 7.2. se prezintă schema de calibrare a unei piese pline iar în figura 7.3 unele din schemele de calibrare ale bucşelor sinterizate.

Un factor important în procesul de calibrare şi represare este gradul de lubrifiere a suprafeţelor piesei. O ungere bună reduce forţa de calibrare, reduce uzura sculelor şi îmbunătăţeşte calitatea suprafeţei calibrate.

Nu trebuie să se confunde şi nici să se suprapună ungerea pentru calibrare cu îmbibarea în vederea funcţionarii. Lubrifierea pentru calibrare trebuie să fie numai superficială deoarece o umplere completă a porilor cu ulei ar împiedica deformarea piesei.

Page 95: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Operaţii secundare aplicate pieselor sinterizate

89

Lubrifierea în procesele de calibrare şi represarea se poate face prin: - acoperirea piesei cu un lubrifiant uscat, pulverulent; - lubrifierea echipamentului de calibrare; - stropirea pieselor. Piesele se aşează pe plăci perforate, pentru a permite

scurgerea uleiului, şi se stropesc manual sau mecanizat, trecându-se prin faţa unor pulverizatoare montate fix. Uleiul recomandat este acidul oleic, la care se poate adăuga şi puţină bisulfura de molibden (MoS2). Această metodă de lubrifiere este recomandată mai ales în cazurile unor forţe mari de presare.

Fig. 7.2. Schema calibrării unei piese pline: a-poanson superior; b-poanson inferior;

c-placă activă; d-placă

Fig. 7.3. Schema calibrării bucşelor: a-calibrare la exterior; b-calibrare pe interior şi

exterior Acoperirea cu lubrifiant uscat pulverulent se face prin pudrare şi se

utilizează mai ales atunci când suprafeţele de calibrat sunt exterioare. Se utilizează ca lubrifiant stearatul de zinc.

Page 96: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

90

Lubrifierea dispozitivului de calibrare simplifică operaţia de calibrare, deoarece ungerea se poate automatiza, legându-se de ciclul de fabricaţie.

7.2. TRATAMENTE TERMICE DE SUPRAFAŢĂ

7.2.1 IMPREGNAREA

Porozitatea la piesele din pulberi permite impregnarea cu uleiuri sau răşini.

Lagărele cu alunecare din pulberi metalice convenţionale pot absorbi circa 10 - 30 % procente din volum, în general, fără aditivii din uleiurile folosite.

Impregnarea este realizată prin scufundarea pieselor în ulei încălzit sau prin tehnologia în vid. Când reperul se încălzeşte, datorită frecării, uleiul iese şi curge pe suprafaţa lagărului.

La răcire, uleiul este absorbit în porii metalului prin fenomenul de capilaritate.

7.2.2. INFILTRAREA

Proprietăţile mecanice pot fi mărite prin infiltrarea pieselor din pulberi cu un alt metal.

Prealierea cu metalul dorit se face înainte sau în timpul formării, însă înainte de sinterizare.

Metalul ce se infiltrează are un punct de topire mai scăzut decât cel al materialului de bază.

În timpul topirii, materialul infiltrat e absorbit de porii piesei datorită fenomenului de capilaritate, dând naştere astfel unui material cu structură compozită

În afară de îmbunătăţirea proprietăţilor mecanice, alierea conduce la dispariţia porozităţii materialului în vederea acoperirilor metalice electrolitice, măreşte prelucrabilitatea mecanică şi realizează în compoziţie particule gazoase sau lichide. 7.2.3 COLORAREA

Piesele sinterizate din pulberi feroase pot fi colorate prin multe metode. Pentru a le conferi rezistenţă la coroziune, pot fi înnegrite prin încălzire în

cuptor. Cufundarea în ulei dă o culoare mai profundă precum şi o uşoară creştere

a rezistenţei la coroziune. Piesele din pulberi metalice feroase pot fi, de asemenea, înnegrite chimic

în baie lichidă de săruri.

Page 97: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Operaţii secundare aplicate pieselor sinterizate

91

Trebuie evitată imersarea pieselor cu densitatea sub 7,3 g/cm3 deoarece sarea astupă porii. Totuşi, piesele pot fi impregnate înainte cu o răşină care nu se distinge în baie.

Lagărele pe bază de nichel şi cupru au o acţiune nefavorabilă asupra majorităţii băilor de înnegrire.

În plus aceste materiale afectează culoarea pieselor. Aşa cum este cazul înnegririi în cuptor, o scufundare în ulei oferă o mai bună înfăţişare şi o mai mare rezistenţă la coroziune 7.2.4 TRATAMENTUL CU ABURI

Este un procedeu obişnuit folosit pentru pulberi metalice ducând la creşterea rezistenţei la coroziune a pieselor din pulberi feroase.

Un strat de oxid aplicat la suprafaţă duce la o duritate sporită şi rezistenţă la uzură mărită.

Procedeul duce la o uşoară modificare a dimensiunilor şi la o oarecare scădere a ductilităţii, precum şi la o scădere a prelucrabilităţii mecanice.

Tratamentul implică o încălzire la 400-6000 C şi apoi expunerea pieselor la abur supraîncălzit sub presiune.

Piesele sunt de obicei imersate în ulei după răcire, pentru creşterea rezistenţei la coroziune şi uzură şi îmbunătăţirea aspectului. Preselor tratate termic nu li se aplică acest tratament cu aburi niciodată deoarece, s-ar obţine un efect de fragilizare a materialului.

7.2.5 PLACAREA Toate tipurile de placare folosite în general, incluzând cuprarea, nichelarea, cromarea, cadmierea, şi zincarea, pot fi aplicate pieselor din pulberi metalice. Piesele cu densitate mare (7,2 g/cm3) sau cele aliate pot fi supuse acoperirilor metalice folosind aceleaşi metode ca şi în cazul pieselor forjate. Piesele cu densitate mică trebuie să aibă porozitate scăzută, lucru realizat de obicei prin impregnarea cu răşini pentru a se evita pătrunderea soluţiei de placare în pori. Piesele care au fost impregnate cu ulei sau călite în ulei trebuie să nu aibă nici o urmă de ulei în pori sau pe suprafaţă pentru a se putea face impregnarea cu răşini şi/sau acoperirea.

7.3. TRATAMENTE TERMICE

Reperele obţinute prin metalurgia pulberilor pot fi supuse la tratamente de recoacere, călire sau tratare superficială.

În cuptorul în care se execută tratamentul, trebuie menţinută o atmosferă neutră şi uscată, pentru piesele poroase.

Oţelurile aliate şi cele cu densitate mare (circa 7,2 g/cm3)pot fi tratate termic prin majoritatea procedeelor convenţionale.

Page 98: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

92

Oricum, lichidele, ca de exemplu sărurile de carburare, soluţiile de sare sau apă, care pot rămâne captive între particule şi pot provoca coeziunea, trebuie evitate în cazul reperelor cu densitatea mică.

Piesele din pulberi metalice feroase, sunt în general călite superficial prin carburare sau carbonitrurare cu o adâncime de pătrundere în funcţie de mediul de carburare, timp, temperatură.

O călire superficială corectă se realizează în cazul reperelor cu densitate mare.

În cazul celor cu densitate scăzută, rapida difuzie a carbonului duce la o carburare puternică sau la o adâncime de pătrundere necontrolată.

7.4. PRELUCĂRI PRIN AŞCHIERE

Piesele din pulberi metalice sunt produse la dimensiunile finale. Uneori sunt necesare şi prelucrări mecanice în cazul formelor deosebite

cum ar fi: contururi complexe, prelucrări pe direcţii perpendiculare sau înclinate faţă de direcţia de presare, alezaje cu câmp de toleranţe mici, filete.

Prelucrabilitatea se poate îmbunătăţii prin adăugarea unor mici cantităţi de sulf, cupru, grafit sau plumb în compoziţie. Primele trei se întâlnesc frecvent în compoziţia materialelor pieselor sinterizate feroase, iar ultimul intră frecvent în compoziţia materialelor sinterizate neferoase.

Împregnările cu ulei sau cu răşini, îmbunătăţesc prelucrabilitatea tuturor pieselor feroase din pulberi cu o densitate mai mare de 92% din densitatea teoretică. Operaţia se face totodată, pentru a se evita pătrunderea particulelor abrazive în pori, ceea ce ar duce la o uzură excesivă a sculelor aşchietoare.

Prelucrarea pieselor poroase cu auto-ungere trebuie să fie făcută cu atenţie pentru a se evita gresarea suprafeţelor.

Dispozitivele de prindere trebuie să asigure forţe de prindere suficiente dar care să nu deterioreze piesele, în special pe cele poroase. Se recomandă utilizarea sistemelor de prindere hidraulice sau pneumatice.

Lichidele de răcire se folosesc în majoritatea operaţiilor de prelucrare, dar trebuie avut în vedere proprietatea de aderenţă a lichidului de răcire la piesă. Aceasta este cu atât mai evidentă cu cât porozitatea suprafeţei este mai mare. Lichidele nu trebuie să conţină agenţi corozivi.

7.5. DEBAVURAREA

Piesele din pulberi metalice prezintă o serie de bavuri care sunt rezultatul realizării necorespunzătoare a echipamentelor de formare, de calibrare dar şi a prelucrărilor mecanice.

Pentru debavurare, piesele sunt agitate în tuburi vibratoare sau în cilindri rotativi, în prezenţa unui mediu abraziv. Mediul abraziv poate fi pe bază de SiO2 sau pe bază de Al2O3 sinterizat, având diferite durităţi, forme şi densităţi. În

Page 99: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Operaţii secundare aplicate pieselor sinterizate

93

interiorul utilajului se poate introduce apă şi diferiţi compuşi chimici care au rolul de a spăla continuu piesele şi mediul de debavurare.

Pentru debavurarea în cilindri rotativi se recomandă ca viteza de lucru să fie de aprox. 10 ... 25 rot/min, pentru o perioadă care variază între o oră şi 24 de ore.

Raportul dintre cantitatea de material abraziv şi piesele sinterizate trebuie să fie de 3:1. Pentru piesele mai grele, fragile, sau la care se cere o suprafaţă de finisare specială, acest raport este necesar să fie de 5:1 şi 25:1.

7.6. PROCEDEE DE ASAMBLARE

Reperele sinterizate pot fi asamblate, folosind diferite metode cum ar fi:

brazarea, sudarea, asamblarea prin presare. 7.6.1. BRAZAREA Brazarea este o metodă, relativ uşor de aplicat, pentru asamblarea pieselor

sinterizate. Existenţa porozităţii impune o serie de restricţii în aplicarea metodei: - pentru brazarea în timpul sinterizării, semifabricatele trebuie să aibă o

densitate de minimum 6,7 g/cm3; pentru brazarea după sinterizare, reperele trebuie să aibă o densitate mai mare de 6,5 g/cm3;

- este necesară utilizarea unor amestecuri speciale de brazare; - semifabricatele presate din pulberi de fier nu trebuie să conţină sulfuri,

deoarece sulfurile reacţionează cu manganul din aliajele de brazare, rezultând MnS, care reduce capacitatea de curgere a aliajului în zona de îmbinare.

Cantitatea de material de brazare se recomandă să fie de cca. 0,2 ... 0,5 grame pe cm2.

Cel mai simplu mod de a efectua brazarea este de a plasa în zona de îmbinare, semifabricate de formă adecvată, din pulberea aliajului de brazare (figura 7.4).

Fig. 7.4. Soluţie de asamblare prin brazare a două semifabricate presate din pulberi

Page 100: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

94

Pentru ca brazarea să se desfăşoare în condiţii corespunzătoare se recomandă ca între cele două semifabricate să existe o zonă de intrare, de forma celei prezentate în figura 7.5.

Fig. 7.5. Zona de intrare la brazare a două semifabricate presate din pulberi

O altă soluţie pentru realizarea asamblării constă în amplasarea pe suprafeţele reperelor a unor semifabricate cilindrice din aliajul de brazare (figura 7.6). Pentru aceasta suprafeţele reperelor trebuie să fie prevăzute din presare cu locaşurile respective.

Fig. 7.6. Asamblarea prin brazare a două repere presate din pulberi folosind semifabricate cilindrice

Un exemplu de piesă sinterizată obţinută prin brazare se prezintă în figura

7.7.

Fig. 7.7. Portsatelit obţinut prin brazare (BorgWarner Powdered Metals, SUA)

Page 101: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Operaţii secundare aplicate pieselor sinterizate

95

Ansamblul complex sinterizat este compus iniţial din trei repere şi face parte din sistemul de transmisie automată al unor automobile fabricate de firma General Motors. Fiecare reper este prevăzut cu canale pentru ulei şi inele de presiune. La interior, unul din repere prezintă o dantură având 38 de dinţi care asigură transmiterea momentului în condiţii de maximă siguranţă.

7.6.2. SUDAREA Piesele din pulberi metalice feroase pot fi sudate, folosind sudarea cu cusătură continuă. Cele două repere sinterizate au prevăzute pe una din suprafeţele lor frontale, inele concentrice sau zone profilate de înălţime egală cu 0,5-1 mm. Ele sunt aduse în poziţie verticală, cu cele două suprafeţe în contact şi fiecare din piese este legată la câte un electrod. La trecerea curentului electric are loc topirea acestor zone profilate, obţinându-se sudura.

Cele mai bune rezultate se obţin când piesele din pulberi au o densitate de 6,8 g/cm3, iar conţinutul de carbon nu depăşeşte 0,2 %.

7.6.3. ASAMBLAREA PRIN DIFUZIE

Asamblarea prin difuzie este o metodă prin care se realizează legătura între două sau mai multe repere presate, la temperatura de sinterizare, sau se realizează legătura dintre două sau mai multe repere presinterizate. În primul caz, metoda se bazează pe diferenţa dilatării termice a materialelor semifabricatelor, aflate în contact în timpul sinterizării. În figura 7.8 se prezintă etapele acestui proces.

Fig. 7.8. Etapele realizării unui produs

sinterizat complex folosind asamblare prin difuzie

În figura 7.9 se prezintă un exemplu de aplicare a asamblării prin difuzie. Reperul “Rotor” face parte din componenţa motorului pentru maşina

Honda Civic şi este compus, inţial, din două semifabricate presate din pulberi. El cântăreşte în jur de 3 kg şi are un diametru exterior final de 160 mm. Inelul exterior este fabricat din pulbere de fier pură, presată la o densitate de minimum 6,9 g/cm3. Inelul interior este fabricat dintr-un amestec care conţine: Fe, 2,7%Ni, 1,5%Cu şi 0,6% grafit, presat la o densitate de 6,4 g/cm3. Pentru asigurarea contactului dintre cele două inele a fost ales un joc negativ de 0,275 mm, realizat prin încălzirea inelului exterior la 1000C. Temperatura de sinterizare a fost de 11200C.

Page 102: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

96

Fig. 7.9. Rotor obţinut prin asamblarea prin difuzie

(Hitachi Powdered metals Co. Ltd, Japan) Un alt exemplu de reper obţinut folosind procedeul de asamblare prin

difuzie se prezintă în figura 7.10. Axul cu came asamblat este compus dintr-un tub de oţel obţinut prin

deformare plastică, şi un număr de came fabricate prin sinterizare din pulbere de oţel aliat Astaloy, compusă din 2,5% C, 5% Cr, 2% Cu, 0,5%P şi 1% Si. Poziţionarea camelor pe tub se face cu atenţie folosind, sisteme electronice de control. Axul cu came asamblat conduce la importante economii de manoperă, dar şi la reducerea substanţială a greutăţii reperului cu până la 40%.

Fig. 7.10. Axul cu came asamblat (MIBA Sinter, Austria)

Din exemplele prezentate mai sus rezultă că două sau mai multe repere,

poziţionate corespunzător, se vor asambla prin difuzie în prezenţa presiunii şi a temperaturii.

Parametrii care caracterizează procesul sunt: presiunea de contact, temperatura, gradul de finisare şi de puritate al suprafeţelor în contact. Prezenţa oxizilor poate fi favorabilă dacă aceştia sunt solubili în materialul de bază. Ca urmare a procesului de difuzie este posibilă apariţia unor tensiuni reziduale în zonele de contact mai ales dacă diferenţele de dilatare termică a materialelor

Page 103: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Operaţii secundare aplicate pieselor sinterizate

97

sunt mari. Utilizarea unor materiale de interfaţă, care mediază coeficienţii de dilatare termică poate înlătura acest efect.

Procesul de asamblare prin difuzie poate fi divizat în trei etape (figura 7.11).

La început aria de contact dintre repere este mică. Prezenţa temperaturii şi aplicarea presiunii la suprafeţele de separaţie dintre repere, între 3,5...35 MPa, produce deformarea asperităţilor până la formarea unor plane de legătură la interfeţele dintre repere, plane care conţin, iniţial, un număr mare de pori.

În etapa a doua, la creşterea temperaturii, datorită accelerării fenomenelor de difuzie se produce micşorarea porilor. În etapa a treia are loc creşterea grăunţior de-a lungul interfeţelor de legătură şi uniformizarea structurii.

Asamblarea care rezultă este aproape ideală şi cu greu se pot evidenţia zonele iniţiale de contact.

Pentru îmbunătăţirea proprietăţilor stratului de legătură se utilizează două metode:

- asamblarea prin difuzie cu fază lichidă tranzitorie; - asamblarea prin activarea difuziei. În cazul primei metode, în zona de separaţie este introdus un lichid care va

umple golurile dintre asperităţi, mărind suprafaţa de contact. În funcţie de grosimea stratului de lichid, timpul de asamblare se reduce substanţial.

Presiunea de contact inţială, dintre repere, este mică (sub 0,07 MPa), ceea ce simplifică mult construcţia echipamentelor de lucru.

Fig. 7.12. Etapele asamblării prin difuzie

Lichidul din zona de tranziţie trebuie să fie un aliaj cu punct de topire

scăzut, unul sau mai multe din elementele aliajului trebuind să difuzeze în materialele de bază. Datorită difuziei acestor elemente, zona de legătură devine bogată în elementele care nu difuzează. Acest proces este denumit solidificare izotermă, pentru că lichidul se solidifică la temperatură constantă cu modificarea compoziţiei. În mod obişnuit, procesul de solidificare are loc la compoziţie constantă cu modificarea (scăderea) temperaturii.

În zona de legătură există pericolul apariţiei unor compuşi intermetalici fragili.

Page 104: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

98

În cazul celei de-a doua metode, suprafaţa reperelor este acoperită cu un aliaj care difuzează rapid şi contribuie la descompunerea impurităţilor de la suprafaţa reperelor. Cel mai utilizat element de activare este argintul care dizolvă majoritatea oxizilor şi totodată, produce largi suprafeţe de contact. De exemplu, pentru oţel, acoperirea cu argint duce la scăderea temperaturii de asamblare la 2000C.

Page 105: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Aplicaţii specifice pieselor sinterizate

99

CAPITOLUL 8

APLICAŢII SPECIFICE PIESELOR SINTERIZATE Materialele sinterizate se clasifică, după porozitate în trei grupe:

A. materiale sinterizate de porozitate scăzută (sub 8%), utilizate pentru fabricarea pieselor de rezistenţă;

B. materiale poroase sinterizate de porozitate medie (8…25%), utilizate pentru fabricarea lagărelor poroase autolubrifiante;

C. materiale poroase sinterizate de porozitate ridicată (25…80%), utilizate pentru fabricarea pieselor de porozitate ridicată.

Pentru materialele din prima grupă porozitate trebuie să fie cât mai redusă, Acest lucru se obţine aplicând diferite procedee de presare şi sinterizare, atât convenţionale cât şi neconvenţionale şi garantează îndeplinirea rolului funcţional în exploatare.

Pentru materialele din grupa a doua şi a treia, porozitatea reprezintă o caracteristică structurală funcţională, care determină proprietăţile de filtrare şi permeabilitate.

8.1. MATERIALE SINTERIZATE DE ÎNALTĂ POROZITATE

Materialele sinterizate de înaltă porozitate (materialele poroase

permeabile), au ca şi caracteristică structurală importantă porozitatea inter-comunicantă ridicată, precum şi distribuţia uniformă a mărimii porilor în tot volumul poros.

În funcţie de destinaţia acestora, de materia primă utilizată pentru fabricaţie şi de procedeul de elaborare, materialele poroase permeabile se pot clasifica în:

- materiale poroase permeabile din pulberi, obţinute prin presare şi sinterizare;

- materiale poroase permeabile din fibre metalice, obţinute prin presare, sinterizare şi înfăşurare;

- materiale poroase permeabile din ţesături, obţinute prin ţeserea sârmelor sinterizate în site;

- materiale poroase permeabile combinate (sisteme poroase permeabile armate), obţinute prin sinterizarea sitelor cu straturi de pulbere;

Page 106: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

100

- materiale spongioase permeabile, obţinute prin acoperirea cu Ni-Cr a unui burete metalic sau a poliuretanului spongios.

Aplicaţiile principale al materialelor poroase permeabile cuprind: elemente filtrante; opritoare de flăcări; amortizoare de zgomot; schimbătoare de căldură; catalizatori; separatoare de fluide; restrictori pneumatici; distribuirea uniformă a fluxului de fluide, alte utilizări speciale.

8.1.1. ELEMENTE DE TEHNOLOGIA MATERIALELOR

SINTERIZATE PERMEABILE

După cum s-a prezentat mai sus, materialele poroase permeabile au ca material de bază fie pulberile fie fibrele.

Pulberile pot fi produse din aproape toate metalele. Mărimea, forma şi distribuţia particulelor de pulbere sunt principalii parametri care influenţează proprietăţile materialelor de înaltă porozitate. Prin modificarea parametrilor proceselor de fabricare a pulberilor, se pot obţine particule de pulbere de forme sferice sau neregulate şi de diferite dimensiuni.

Permeabilitate, rezistenţa mecanică, gradul de filtrare şi rezistenţa la coroziune sunt principalele proprietăţi ale acestor tipuri de materiale.

Cele mai utilizate materiale pentru fabricaţia materialelor poroase permeabile din pulberi sunt: titanul, aluminiu, tantalul, oţelul inoxidabil, bronzul şi nichelul.

Fibrele sunt produse prin turnare continuă, sinterizare şi laminare. Grosimea lor este cuprinsă între 4μm-100μm şi lungimea medie este de 25 μm. Datorită diametrelor constante ale fibrelor, fineţea de filtrare şi permeabilitate au valori optime. Fibrele sunt produse mai ales din oţel inoxidabil şi nichel.

Materialele din pulberi sferice care necesită o temperatură scăzută de sinterizare sunt turnate liber şi sinterizate. Pulberile metalice care necesită o temperatură ridicată de sinterizare sunt presate în matriţă şi apoi sunt sinterizate.

Filtrele de formă simplă şi cu raport mic diametru-înălţime sunt presate uniaxial în matriţe. Filtrele cu raport mare diametru-înălţime şi de forme complicate sunt realizate prin presare izostatică.

Filtrele din fibre sunt fabricate din table de 0.6-1.2 mm grosime, table obţinute prin ţeserea fibrelor individuale sinterizate şi laminate.

8.1.2. PROPRIETĂŢI SPECIFICE MATERIALELOR POROASE

PERMEABILE

Procedeul utilizat cel mai frecvent la separarea şi curăţirea fluidelor de impurităţi este filtrarea în medii poroase. Acest tip de filtrare este eficient în tratarea unor fluide cu debite mari, cu o concentraţie relativ mică de impurităţi în suspensie şi cu o decantare prealabilă a particulelor de dimensiuni mari.

Prin modificarea a doi parametri ai materialului, mărimea particulelor, respectiv densitatea, se poate regla gradul de filtrare (respectiv mărimea porilor).

Page 107: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Aplicaţii specifice pieselor sinterizate

101

Ţinând seama de raportul dintre mărimea particulelor de impurităţi di şi mărimea porilor Dp, filtrarea se poate realiza în două moduri:

- filtrarea în barieră (figura 8.1, a). În această situaţie (di > Dp), toate sau aproape toate impurităţile sunt reţinute la suprafaţa de intrare a mediului poros în direcţia curgerii, provocând reducerea vertiginoasă a permeabilităţii prin colmatarea de suprafaţă, creşterea căderii de presiune după o durată scurtă de funcţionare şi în final scăderea durabilităţii stratului poros şi scoaterea lui rapidă din exploatare;

Fig. 8.1. Sisteme teoretice de filtrare

- filtrarea în adâncime (figura 8.1, b). În acest caz particulele de

impurităţi pot să pătrundă în adâncimea stratului poros, separându-se progresiv din masa de fluid, prin impactul cu un număr mai mare de obstacole. Rezultă o capacitatea de reţinere a impurităţilor mai mare, în condiţiile unei reduceri acceptabile a permeabilităţii ca rezultat a unei creşteri normale a căderii de presiune.

Curgerea fluidelor în medii poroase prezintă o serie de particularităţi, determinate de structura mediului poros. Porii se prezintă sub formă de canale curbate, sinuoase, cu mărime, secţiune transversală şi calitatea suprafeţei variabile. De aceea la o cădere de presiune constantă pe lungimea porului, pot să apară de-a lungul lui, regimuri de curgere diferite ale fluidelor impurificate.

La filtrarea lichidului sau gazelor în medii poroase se deosebesc trei feluri de curgeri: moleculară, laminară şi turbulentă. Deoarece trecerea de la un tip de curgere la altul nu are limite precise, în mediul poros se consideră două regimuri

Page 108: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

102

de curgere limită: de la curgerea moleculară la cea laminară şi de la curgerea laminară la cea turbulentă.

Permeabilitatea este proprietatea unui material poros de a permite să treacă prin el un lichid sau gaz, sub acţiunea forţelor date de căderea de presiune.

Caracteristica structurală care determină permeabilitatea este porozitatea deschisă intercomunicantă a materialului poros.

Fineţea de filtrare absolută se defineşte în raport cu diametrul celei mai mari particule sferice de impuritate care trece prin filtru, respectiv în raport cu dimensiunea minimă a particulelor reţinute de filtru.

Fineţea de filtrare relativă indică dimensiunea minimă a particulelor de impurităţi reţinute în proporţie de 95-98% de către elementul filtrant.

Capacitatea de filtrare sau eficienţa filtrării reprezintă capacitatea elementului filtrant de a retine particulele cu dimensiuni mai mari decât o anumită valoare prestabilită a fineţei de filtrare.

Potenţialul capilar este raportul dintre energia potenţială a forţei capilare şi masa lichidului impregnat în porii filtrului.

8.1.3. UTILIZAREA MATERIALELOR POROASE PERMEABILE

În comparaţie cu materialele permeabile din hârtie, ceramice, din ţesături, din fibre, materialele poroase permeabile din pulberi metalice prezintă o serie de avantaje suplimentare cum ar fi: rezistenţa mecanică mai ridicată, stabilitatea mai bună la coroziune în condiţii de temperatură ridicată, posibilităţi mai largi de prelucrări mecanice, sudare şi asamblare, capacitate de reţinere ridicată, conductibilitate termică şi electrică înaltă, posibilităţi de regenerare prin decolmatare. Principalele utilizări ale materialelor poroase permeabile se prezintă în continuare:

- Elementele filtrante sinterizate sunt utilizate în toate instalaţiile în care sunt vehiculate ca medii de lucru: lichidele sau gazele de orice fel. Astfel : - filtrarea aerului din circuitele comenzilor pneumatice şi a aparatelor de măsura şi control; - filtrarea aerului în instalaţiile de lichefiere a oxigenului; - elemente filtrante pentru analizoare de gaze; - filtrarea impurităţilor radioactive din gaze; - filtrarea uleiului în circuitele de acţionare hidraulice; - filtrarea fracţiunilor granulometrice în industria farmaceutică; - filtrarea carburanţilor şi lubrifianţilor la motoarelor termice. La proiectarea formei constructive a elementelor filtrante se are în vedere, locul, posibilităţile şi gabaritul de montaj, mărimea suprafeţei filtrante necesare, valoarea rezistenţei mecanice prescrise, posibilităţile tehnologice de execuţie a elementului filtrant.

Page 109: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Aplicaţii specifice pieselor sinterizate

103

În funcţie de forma constructivă se deosebesc următoarele tipuri de elemente filtrante: plăci plane-disc; rondele; monotubulare (lise sau grofate); multitubulare - concentrice; forme cave; forme speciale. În figura 8.2 se prezintă un filtru sub formă de disc plan, montat prin sertizare sau prin strângere în tubul 2, utilizat la analizoarele de gaze. În figura 8.3 se prezintă un element filtrant tip rondelă montat prin bordurare în placa 2.

În figura 8.4 se prezintă o soluţie de filtru cu element poros bistrat. Cele două straturi poroase au structuri diferite: primul care are pori cu dimensiuni mai mari asigură prefiltrarea, respectiv separarea impurităţilor mari, iar al doilea strat cu pori mai mici asigură filtrarea finală a fluidului.

Fig.8.4. Filtru bistrat: 1-element filtrant bistrat; 2-suport de rigidizare; 3-element de fixare; 4-dop; 5-camera de filtrare

- Amortizoarele de zgomot din materia1ele poroase permeabile se utilizează în construcţia unor maşini energetice şi tehnologice cu acţionare hidraulică. Ele îndeplinesc funcţia de amortizare şi absorbţie a sunetului, constructiv fiind realizate sub forma de căptuşeală.

Din punct de vedere funcţional amortizoarele de zgomot pot fi : cu reacţie locală şi cu reacţie în volum.

Fig. 8.2. Filtru plan: 1-element filtrant; 2-tub

Fig. 8.3. Filtru montat prin bordurare: 1-element filtrant; 2-placa

Page 110: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

104

Cele mai utilizate forme constructive pentru partea activa a amortizoarelor de zgomot sunt discurile plane, formele cilindrice, conice şi formele combinate.

- Amestecătoare poroase sunt utilizate pentru prepararea fluidelor vâscoase compuse dintr-o fază lichidă şi una gazoasă.

Camera de amestec este de obicei sub forma de tub poros permeabil. - Schimbătoarele de căldura sunt instalaţii utilizate în scopul transferului

de căldura de la un agent termic (fluid) primar, la altul, secundar. O metodă eficientă de răcire, respectiv de încălzire a unui fluid este prin realizarea unor cicluri de vaporizare-condensare produse în tuburi poroase (figura 8.5).

Fig. 8.5. Schema constructivă a unui schimbător de căldură cu tuburi poroase: 1-tub

poros; 2-vaporizator; 3-consensator

Tuburile poroase reprezintă astfel principala soluţie constructivă a părţii active a unui schimbător de căldură. Principalul avantaj al tuburilor poroase este determinat de posibilitatea transmiterii unui flux termic relativ ridicat în condiţiile unei căderi de presiune şi a unui gradient de temperatura scăzut între vaporizator şi condensator, datorită suprafeţei active de transformare, oferită de structura capilar-poroasă. Alte avantaje, sunt: simplitatea constructiva şi fiabilitatea ridicată în exploatare a acestora.

Tuburile termice poroase sunt utilizate de asemenea la răcirea rotoarelor maşinilor electrice, a dispozitivelor semiconductoare, a bobinelor pentru transformatoare, a electrozilor maşinilor de sudat, a formelor pentru injectarea maselor plastice, etc.

8.2. BUCŞE SINTERIZATE AUTOLUBRIFIANTE

Lagărele autolubrifiante sunt organe de maşini complexe din punct de vedere funcţional. Principalul element component al acestor tipuri de lagăre este bucşa sinterizată.

Caracterul autolubrifiant şi complex al bucşelor se datoreşte impregnării porilor, ce ocupă 10-30 % din volumul total al piesei sinterizate, cu ulei cu capacitate mare de umectare.

Page 111: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Aplicaţii specifice pieselor sinterizate

105

La rotaţia axului în lagărul autolubrifiant, apare un efect de aspirare a uleiului din porii materialului sinterizat al bucşei, creându-se astfel un film de ulei între ax şi lagăr (figura 8.6). La oprire, datorită forţelor capilare, filmul de ulei este absorbit în porii bucşei.

Fig. 8.6. Schema de funcţionare a lagărelor autolubrifiante În funcţionarea lagărelor autolubrifiante apar şi coexistă următoarele

fenomene tribologice: - autolubrifierea – apare în funcţionare, datorită aspiraţiei uleiului din

porii materialului sinterizat; - regimul hidrodinamic de lubrifiere, în zona de excentricitate fus-lagăr,

cu circulaţia uleiului prin porii cuzinetului (figura 8.7);

Fig. 8.7. Fenomene tribologice în funcţionarea lagărelor autolubrifiante

- frecare limită în zona de contact fus-lagăr dependentă de lubrifiant,

cuplul de materiale, condiţiile de funcţionare (încărcare, viteza de rotaţie, temperatura) . În vecinătatea zonei de contact dintre fus şi lagăr se găseşte chiar şi în repaus o cantitate de ulei reţinută prin efect de capilaritate. Aceasta, asociată cu posibilitatea înglobării în masa cuzinetului a unor materiale solide cu

Page 112: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

106

proprietăţi de antifricţiune, ca grafitul, fac ca lagărele sinterizate să se comporte foarte bine la turaţii reduse şi la regimuri de lucru cu porniri şi opriri repetate;

- fenomene termice de transfer de căldură ca urmare a frecării; - fenomene de uzare multiplă (uzura cuzinetului, îmbâcsirea porilor cu

particule de uzură şi ulei ars, degradarea uleiului). Ca şi în cazul lagărelor de alunecare obişnuite şi în cazul lagărelor

autolubrifiante, distribuţia presiunii de ulei are aceeaşi alură (figura 8.6). Aşa cum se observă din figura 8.7, interstiţiul lagărului cuprinde o zonă portantă cu presiuni superioare celei ambiante şi o zonă depresionară unde presiunea este sub cea ambiantă. Pentru un lagăr cu diametrul 14 mm şi cu lungimea de 11 mm, la o încărcare de p = 0.2 MPa s-au măsurat în zona portantă suprapresiuni de 0.4-1.6 MPa, în funcţie de turaţie, iar depresiunile au ajuns până la 0.0008 MPa. Distribuţia presiunii în lagăr conduce, alături de un gradient de temperatură şi la o circulaţie a lubrifiantului în masa cuzinetului. Capacitatea optimă de lucru al unui lagăr autolubrifiant este atinsă la o viteză de 1 m/s, datorită prezenţei lubrifierii hidrodinamice. Grosimea filmului de ulei scade cu creşterea încărcării şi a vitezei de alunecare. La viteze ridicate de alunecare, parametrul pv, parametru ce reprezintă produsul dintre încărcarea specifică şi viteza de alunecare, se micşorează de asemenea. Bucşele sinterizate fără ungere suplimentară (figura 8.8, a) se utilizează la viteze mai mici sub 1.5 m/s şi încărcări moderate.

Fig. 8.8. Tipuri de bucşe sinterizate

Limita superioară de viteză este de cca. 4 m/s la încărcarea de 0.5 MPa

pentru lagărele de fier şi încărcarea maximă de 6 MPa la o viteză de 0.5 m/s, figura 8.9. În cazul bucşelor de bronz, valorile respective sunt mai mici şi anume, viteza maximă de 3 m/s la încărcarea de 0.15 MPa şi încărcarea maximă de 3 MPa la o viteză de 0.15 m/s.

Page 113: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Aplicaţii specifice pieselor sinterizate

107

În aceste condiţii, durata de funcţionare a unui lagăr autolubrifiant fără ungere suplimentară poate ajunge până la 5000 ore.

Fig. 8.9. Încărcarea admisibilă a bucşelor sinterizate în funcţie de viteza de alunecare

În cazul utilizării bucşelor sinterizate cu ungere suplimentară (figura 8.8, b) durata în exploatare poate ajunge până la 20.000-30.000 ore. 8.2.1. MATERIALE UTILIZATE ÎN CONSTRUCŢIA BUCŞELOR SINTERIZATE În alegerea unui material pentru o bucşă sinterizată, trebuie considerate următoarele proprietăţi distincte:

- compatibilitatea chimică cu lubrifiantul; - conductivitatea termică; - proprietăţile mecanice; - compatibilitatea cu materialul fusului; - caracteristicile de frecare cu materialul arborelui. Primele două proprietăţi sunt îndeplinite pentru majoritatea aliajelor

utilizate în construcţia bucşelor, evitându-se apariţia unor reacţii chimice nedorite între materialul bucşei şi lubrifiant şi facilitarea fluxului de căldură.

Respectarea proprietăţilor mecanice asigură menţinerea formei şi rezistenţa la forţele de asamblare. În cadrul acestor proprietăţi, rezistenţa la rupere radială este definitorie. Pentru grosimi ale pereţilor mai mici de 30% din

Page 114: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

108

diametrul exterior al lagărului, rezistenţa la rupere radială variază între 100-200 MPa, depinzând de compoziţie şi de densitatea relativă. Duritatea unui bucşe este cuprinsă între 18-80 HB. Compatibilitatea cu materialul fusului asigură eliminarea tendinţei de formare a unor microsuduri şi a gripajului şi este asigurată prin alegerea unei perechi de materiale neantagoniste. Caracteristicile de frecare cu materialul arborelui sunt generate de natura contactului ce se stabileşte ca urmare a asamblării şi cum s-a datorită frecării limită fenomenele de uzare sunt minime. Două grupe de materiale sunt specifice bucşelor sinterizate şi anume: - materiale pe bază de bronz sinterizat. Bronzul conţinând 10% este cel mai utilizat în construcţia bucşelor. Materialul oferă o excelentă rezistenţă la coroziune şi proprietăţile mecanice pot fi ajustate pentru a se asigura rezistenţa la şoc şi ductilitatea necesară asamblării. Cu cât densitatea este mai ridicată cu atât creşte sarcina la care pot rezista dar capacitatea de autolubrifiere se diminuează. Grafitul este adeseori adăugat pentru a se îmbunătăţii lubrifierea. Din punct de vedere al conţinutului de grafit, bucşele din bronz grafitat se clasifică în:

- bucşe cu conţinut scăzut de grafit (sub 0,3%); - bucşe cu conţinut mediu de grafit (0,5-1,8%); - bucşe cu conţinut ridicat de grafit (3-5%). Creşterea conţinutului de carbon conduce la scăderea rezistenţei mecanice

a acestor materiale. Compoziţiile cu conţinut scăzut de grafit sunt recomandate pentru condiţii

severe de lucru, iar cele cu conţinut ridicat de grafit pentru condiţii de lucru cu viteze înalte şi sarcini scăzute.

- bucşele sinterizate pe bază de fier sunt utilizate la sarcini ridicate şi viteze de alunecare mari.

Cele mai utilizate grupe de materiale feroase sinterizate sunt: fier-carbon; fier-cupru; fier-cupru-carbon; fier-bronz; fier-grafit.

8.2.2. ELEMENTE DE TEHNOLOGIE SPECIFICE BUCŞELOR SINTERIZATE Bucşele sinterizate se obţin în urma presării, sinterizării, calibrării şi a

operaţiei de impregnare cu ulei. Principalele forme constructive obţinute prin sinterizare şi utilizate în mod

frecvent se prezintă în figura 8.10. Prin controlul parametrilor procesului de presare, porozitatea poate să fie variabilă pe rază, mai mare la exterior şi mai mică la interior, cu efect favorabil asupra procesului de autolubrifiere. În urma sinterizării apar o serie de abateri de formă: concavităţi, conicităţi şi ovalităţi care se pot evidenţia uşor în timpul operaţiilor de control (figura 8.11).

Page 115: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Aplicaţii specifice pieselor sinterizate

109

Impregnarea se poate realiza fie prin fierbere în ulei încins sub presiune fie utilizând tehnica vidului.

Fig. 8.10. Tipuri constructive de bucşe sinterizate

Fig. 8.11. Abateri ale bucşelor sinterizate 8.3. PIESE DE REZISTENŢĂ SINTERIZATE

Prin sinterizare se fabrică piese ca: roţi dinţate cilindrice sau conice, roţi dinţate cu dantură specială, roţi şi came cu sector dinţat pentru clichete, roţi de lanţ, inele dinţate, segmenţi de piston, came, pârghii, furci, manşoane, cuple cu

Page 116: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

110

ghiare, palete de ventilatoare şi turbine, corpuri de ventil, ghidaje, piese polare pentru aparate electrice, contacte electrice (figura 8.12).

Densitatea acestor piese este cuprinsă între 6,4 şi 7,2 g/cm3.

Fig. 8.12. Exemple de piese sinterizate pentru construcţia de maşini

În general, la piesele de mare rezistenţă şi de precizie, solicitate dinamic, se utilizează presiuni de compactizare mai mari şi tehnologii complexe, cuprinzând mai multe presari şi sinterizări, presare la cald, impregnare cu alt metal topit, calibrare, tratamente termice şi alte operaţii ulterioare. Pentru piesele mai puţin solicitate şi fără pretenţii mari de precizie, se aplică tehnologii simple constând dintr-o singură presare si sinterizare.

De obicei, se consideră ca limita între piesele mici şi piesele mari suprafaţa de presare a unui cerc cu diametrul de 50,8 mm.

Piesele complicate ca formă pot fi simplificate, realizându-se părţi care pot fi apoi asamblate prin: sinterizare, când piesele au caracteristici diferite de contracţie în timpul tratamentului; sudare; fixare prin şuruburi; deformare plastică.

Page 117: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Aspecte economice

111

CAPITOLUL 9

ASPECTE ECONOMICE ÎN FABRICAREA PIESELOR SINTERIZATE

Piesele sinterizate din oţel şi metale neferoase ocupă un loc important în cadrul producţiei de produse din pulberi metalice. Din punct de vedere cantitativ ele ocupă primul loc dar rămân în urma produselor din materiale dure, cum ar fi carburile metalice şi metalele refractare, din punct de vedere al preţului.

Importanţa lor industrială este în particular legată de industria automobilului.

Piesele sinterizate aparţin celor mai valoroase produse care pot fi fabricate prin deformare plastică. Prin formare fără aplicarea aşchierii sau împreună cu un număr redus de operaţii de prelucrări prin aşchiere este posibil de a obţine importante beneficii care deschid un câmp larg de aplicaţii acestor produse.

Următorii factori trebuie totuşi avuţi în vedere când se optează pentru fabricaţia de piese sinterizate:

1. piesele sinterizate au un înalt grad de precizie care le fac pentru asamblare. Pentru un utilizator de piese sinterizate, echipamentele de prelucrări secundare sunt limitate la câteva şi în consecinţă riscurile asociate cu investiţiile sunt reduse;

2. cumpărătorul de piese sinterizate se poate limita la verificarea acestora. Practic nu există nici-un risc legat de prezenţa defectelor interne sau externe ale pieselor;

3. costul materiei prime este mai ridicat la fabricarea unei piese sinterizate decât la fabricarea aceleiaşi piese din material obişnuit pentru că costul obţinerii pulberii este mai mare;

4. echipamentele necesare obţinerii pieselor sinterizate sunt complexe şi cu cât piesele sunt mai complicate cu atât acestea sunt mai susceptibile la rupere. Cu cât secţiunile de umplere ale echipamentelor sunt mai înguste, cu cât densitatea cerută piesei este mai ridicată cu atât costurile cu întreţinerea sunt mai ridicate. În fabricarea pieselor sinterizate, consumul de elemente componente ale echipamentelor de formare depinde de complexitatea şi densitatea acestora şi acest consum se reflectă în preţul de vânzare în proporţie de 7-15%. Pentru

Page 118: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

112

elemente de tipul poansoanelor şi a miezurilor această proporţie poate fi mai mare;

5. utilajele necesare fabricării pieselor sinterizate sunt scumpe şi necesită cheltuieli mari cu investiţiile şi întreţinerea. Durata zilnică de funcţionare ale acestor utilaje este mare. Aceste lucruri pot fi compensate numai în cazul unei producţii ridicate;

6. costurile cu echipamentele sunt ridicate, în particular în cazul pieselor cu multe trepte. Acest lucru de asemenea, poate fi compensat numai în cazul unei producţii ridicate;

7. sinterizarea se desfăşoară la temperatură înaltă şi în atmosferă controlată. Ca urmare tratamentul termic este relativ scump. Costurile asociate cu acesta sunt mai scăzute în raport cu alte tratamente termice cum ar fi călirea, carbonitrurarea şi nitrurarea în baie de sare;

8. costurile legate de dezvoltarea produselor, controlul materiei prime, controlul densităţii la reglarea utilajelor de presare şi calibrare, controlul procesului de sinterizare sunt ridicate. Există o legătură strânsă între costurile cu asigurarea calităţii şi cu precizia piesei sinterizate. Este de aceea necesar atât pentru proiectant cât şi pentru controlor de a nu specifica sau admite o calitate ridicată unei piese sinterizate, în condiţiile în care aceea calitate nu corespunde rolului funcţional al piesei. Astfel, câteva sutimi de milimetru precizie pentru o suprafaţă pot reduce costurile cu fabricarea până la 30% sau mai mult;

9. ambalarea produselor sinterizate de precizie dimensională ridicată necesită cheltuieli suplimentare cu operaţia dar şi cu transportul.

Procesul tehnologic de realizare a unei piese sinterizate constă în cazurile cele mai simple din trei operaţii, dar în cazul unor piese de înaltă rezistenţă şi precizie numărul de operaţii poate ajunge până la şase. Prin analiza valorii se poate stabilii corect atât materialul cât şi procesul tehnologic necesar.

Preţul de cost al unei piese sinterizate include costurile cu materialul, cu operaţiile de formare, cu sinterizarea, cu echipamentele de formare, cu reglajul echipamentelor şi utilajelor şi costurile cu controlul de calitate.

Page 119: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Bibliografie

115

BIBILOGRAFIE 1. Bradbury, S. – Powder Metallurgy Equipment Manual, MPIF, Princeton, NJ, ISBN 0918404681, 1986 2. German, R. M. – Powder Injection Molding, Metal Powder Industries Federation, Princeton, NJ, 1990, 522 pages 3. Bocchini, G.F. – Principles of Metal Powder Compaction, Powder Conso-lidation Short Course, Brunico, Italy, 1993, p. 1-18 4. Bockstiegel, G. – The Porosity –Pressure Curve and its Relation to the Size Distribution of Pores in Iron Powder Compacts, Proceedings of the 1965 International Powder Metallurgy Conference, New York, USA 5. Beiss, P. – Shape Limitation in Rigid Die Compaction, Powder Consolidation Short Course, Brunico, Italy, 1993, p. 1-18 6. Ciocârdia, C., Drăgulănescu, E., Drăgulănescu, I.- Aliaje dure sinterizate din carburi metalice, Bucureşti, Editura Tehnică, 1985 7. Cojocaru, M. – Producerea şi procesarea pulberilor metalice, Bucureşti, Editura Matrix Rom, 1997 8. Domşa, A., Palfalvi, A., Nicolae, V., Botha, L. Colan, H., Buzoianu, P. – Tehnologia fabricării pieselor din pulberi metalice, Bucureşti, Editura Tehnică, 1966 9. Diaconescu, Gh., Micu, C., Antonescu, S., Manolescu, S., Donţu, O. – Tehnologia mecanicii fine şi micromecanicii, Editura Tehnică, Bucureşti, 1985 10. German, R.M. – Powder metallurgy Science, MPIF, 1994 11. German R. M. – Powder Metallurgy of Iron and Steel, John Wiley and Sons, New York, NY, 1998, 496 pages. 12. German, R. M. – Liquid Phase Sintering, published in English by Plenum Press, New York, NY, 1985, 251 pages 13. EPMA – Powder Metallurgy, Lectures Series, 1994 14. Esper, F.J., Sonsino, C.M. – Fatigue Design for PM Components, EPMA, 1994, ISBN 1899072004 15. Smiti, I.V. - Materiale poroase sinterizate, OIDICM, 1992; 16. Thummler, F, Oberacker, R. – An indroduction to Powder Metallurgy, Institute of Materials, 1993 17. Paunoiu, V. – Probleme de studiu specifice tehnologiei pieselorsinterizate, Editura Cartea Universitară, Bucureşti, 2004, ISBN 973-7956-89-3, 127 pag.

Page 120: Tehn Pieselor Siterizate Paunoiu

Tehnologia pieselor sinterizate

116

18. Paunoiu, V. – Tehnologia pieselor sinterizate – vol. II, Editura OIDICM, Bucureşti, 2002, ISBN 973-001-4-X, 240 pag. 19. Paunoiu, V. – Tehnologia pieselor sinterizate – vol. I, Editura OIDICM, Bucureşti, 2000, 193 pag., ISBN 973-8001-26-9 20. Upadhyaya, G. S. – Powder metallurgy technology, Cambridge International Science Publishing, 2002 21. Metals Handbook, Vol.7, Ninth Ed. American Society for Metals International, Ohio, 2007